•srr" LIBRARY ^Diversity or- morat MORATUWA f ? A ■ A’A. SRI LA NX. > / £>£E OS 11*1 MODELING OF POWER TRANSMISSION LINES FOR LIGHTNING BACK FLASHOVER ANALYSIS A CASE STUDY: 220kV BIYAGAMA - KOTMALE TRANSMISSION LINE Master of Science Dissertation M. CHAN AKA Department of Electrical Engineering University of Moratuwa, Sri Lanka SQ_\ 3 \0 S2A-3<>+?> TH December 2010 University of Moratuwa /CVl « 496441 vr t 4 i ■7S 6 4 41 \ MODELING OF POWER TRANSMISSION LINES FOR LIGHTNING BACK FLASHOVER ANALYSIS A CASE STUDY: 220KV BIYAGAMA - KOTMALE TRANSMISSION LINE A dissertation submitted to the Department of Electrical Engineering, University of Moratuwa in partial fulfillment of the requirement for the Degree of Master of Science by MALLIKARACHCHIGE CHANAKA Supervised by: Prof. H.Y.R. Perera Eng. K.P.K. Shanthi Department of Electrical Engineering University of Moratuwa, Sri Lanka December 2010 DECLARATION The work submitted in this dissertation is the result of my own investigation, except where otherwise stated. It has not already been accepted for any degree, and is also not being concurrently submitted for any other degree. M. Chanaka 30th December 2010 We endorse the declaration by the candidate. kr. fz- Prof. H.Y.R. Perera Eng. K.P.K. Shanthi Page 1 i C O N T E N T S D e c l a r a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i A b s t r a c t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v D e d i c a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v i A c k n o w l e d g e m e n t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v i i L i s t o f F i g u r e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v i i i L i s t o f T a b l e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x C H A P T E R - 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L e s s C o n s t a n t P a r a m e t e r D i s t r i b u t e d L i n e ( C P D L ) m o d e l r e p r e s e n t i n g t h e t r a n s m i s s i o n t o w e r s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 3 . 3 . 3 T o w e r g r o u n d i n g r e s i s t a n c e m o d e l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5 3 . 3 . 4 L i n e i n s u l a t o r s a n d b a c k f l a s h o v e r m o d e l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6 3 . 3 . 5 L i n e t e r m i n a t i o n m o d e l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 8 3 . 3 . 6 S u r g e a r r e s t e r m o d e l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 9 3 . 3 . 7 L i g h t n i n g s t r o k e c u r r e n t g e n e r a t o r m o d e l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1 3 . 3 . 8 P o w e r f r e q u e n c y p h a s e v o l t a g e g e n e r a t o r m o d e l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3 3 . 4 S e l e c t i o n o f a T r a n s m i s s i o n L i n e A r r e s t e r ( T L A ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 4 C H A P T E R - 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 6 A p p l i c a t i o n o f t h e m e t h o d o l o g y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 6 4 . 1 I n t r o d u c t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 6 4 . 2 P o w e r S y s t e m s C A D ( P S C A D ) m o d e l i n g t o o l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 6 4 . 2 . 1 P S C A D 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 ) w i n d o w . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 6 4 . 3 C r e a t i o n o f s u b m o d e l s i n P S C A D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 8 4 . 3 . 1 T r a n s m i s s i o n l i n e m o d e l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 8 4 . 3 . 2 T r a n s m i s s i o n t o w e r m o d e 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 0 4 . 3 . 3 T o w e r g r o u n d i n g r e s i s t a n c e m o d e l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 0 4 . 3 . 4 L i n e i n s u l a t o r s t r i n g w i t h b a c k f l a s h o v e r m o d e l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1 4 . 3 . 5 P o w e r f r e q u e n c y p h a s e v o l t a g e g e n e r a t o r m o d e l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2 4 . 3 . 6 L i n e e n d t e r m i n a t i o n m o d e l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 3 4 . 3 . 7 S u r g e A r r e s t e r m o d e l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 3 4 . 3 . 8 L i g h t n i n g s u r g e g e n e r a t o r m o d e l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 8 4 . 4 A s s e m b l y o f s u b m o d e l s a n d d a t a s i g n a l c o o r d i n a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 9 4 . 5 M e t h o d o f s i m u l a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 9 4 . 5 . 1 M u l t i p l e R u n c o m p o n e n t a n d v a r i a b l e s e t t i n g s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 9 4 . 5 . 2 S i m u l a t i o n c r i t e r i a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1 4 . 5 . 3 P r o j e c t s i m u l a t i o n s e t t i n g s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 3 C H A P T E R - 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 4 R e s u l t s a n d a n a l y s i s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 4 5 . 1 I n t r o d u c t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 4 P a g e I i i i 5 . 2 B a c k f l a s h o v e r m i n i m u m c u r r e n t v a r i a t i o n r e s u l t s a n d a n a l y s i s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 5 5 . 2 . 1 R e s u l t s o f s i m u l a t i o n s w i t h o u t a r r e s t e r p r o t e c t i o n ( S t e p - ] ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 5 5 . 2 . 2 R e s u l t s o f s i m u l a t i o n s w i t h a r r e s t e r p r o t e c t i o n ( S t e p - 2 ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 8 C H A P T E R - 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2 C o n c l u s i o n a n d r e c o m m e n d a t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2 6 . 1 C o n c l u s i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2 6 . 2 R e c o m m e n d a t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2 R E F E R E N C E S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 3 A n n e x - ! P r e s e n t T r a n s m i s s i o n s y s t e m o f S r i L a n k a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A l A n n e x - 2 T r a n s m i s s i o n s y s t e m o f S r i L a n k a ( S i n g l e l i n e d i a g r a m ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A 2 A n n e x - 3 2 2 0 k V B i y a g a m a - K o t m a l e t r a n s m i s s i o n l i n e p a r a m e t e r s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A 3 A n n e x - 4 : A t y p i c a l t r a n s m i s s i o n t o w e r u s e d i n t h e s e l e c t e d t r a n s m i s s i o n l i n e . . . . . . . . . . A 4 A n n e x - 5 : T o w e r s c h e d u l e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A S A n n e x - 6 G r o u n d i n g R e s i s t a n c e v a r i a t i o n o f t o w e r s d u e t o s o i l i o n i z a t i o n e f f e c t . . . . . . A 6 A n n e x - 7 S i m p l i f i e d s e l e c t i o n p r o c e d u r e o f a n A B B s u r g e a r r e s t e r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A 7 - 1 P a g e I i v A b s t r a c t P e r f o r m a n c e o f p o w e r t r a n s m i s s i o n l i n e s h a s a g r e a t i m p a c t o n r e l i a b i l i t y a s p e c t s o f a p a r t i c u l a r p o w e r s u p p l y s y s t e m o f a c o u n t r y . U n r e l i a b l e p o w e r t r a n s m i s s i o n l i n e s c a n e v e n l e a d t o t o t a l p o w e r f a i l u r e s r e s u l t i n g w i t h g r e a t f i n a n c i a l l o s s e s . T h e l i g h t n i n g b a c k f l a s h o v e r e f f e c t s a r e r e c o g n i z e d a s o n e o f t h e m a j o r c a u s e s o f t r a n s m i s s i o n l i n e o u t a g e s . S e v e r a l t y p e s o f s o l u t i o n s a r e p r e s e n t l y a v a i l a b l e t o a d d r e s s t h e i s s u e o f l i g h t n i n g b a c k f l a s h o v e r s . H o w e v e r t h e m o d e r n c o n c e p t o f t r a n s m i s s i o n l i n e m o u n t e d s u r g e a r r e s t e r s i s o f g r e a t p o p u l a r i t y d u e t o i t s e x c e l l e n t p e r f o r m a n c e , e a s e o f i n s t a l l a t i o n a n d t h e l o w c o s t c o m p a r e d t o t h e o t h e r t r a d i t i o n a l s o l u t i o n s . T h i s r e p o r t d e s c r i b e s a c a s e s t u d y w h i c h w a s c a r r i e d o u t o n o n e o f c r i t i c a l 2 2 0 k V p o w e r t r a n s m i s s i o n l i n e s o f t h e S r i L a n k a n t r a n s m i s s i o n n e t w o r k , h a v i n g s e v e r a l p a s t r e c o r d s o f l i g h t n i n g b a c k f l a s h o v e r r e l a t e d o u t a g e s r e s u l t i n g w i t h t o t a l s y s t e m f a i l u r e s . T h e s t u d y d e s c r i b e d i n t h i s r e p o r t i s m a i n l y f o c u s e s o n t h e w a y o f a n a l y z i n g t h e b a c k f l a s h o v e r e v e n t s b y t r a n s i e n t m o d e l i n g a n d s u b s e q u e n t s i m u l a t i o n o f t h e s e l e c t e d t r a n s m i s s i o n l i n e i n a n e l e c t r o m a g n e t i c t r a n s i e n t c o m p u t e r p r o g r a m . T h e s t u d y u s e s t h e P o w e r S y s t e m C A D ( P S C A D ) s o f t w a r e p r o g r a m a s t h e s o f t w a r e t o o l f o r t h e p u r p o s e o f m o d e l i n g a n d s i m u l a t i o n o f s e l e c t e d 2 2 0 k V B i y a g a m a - K o t m a l e p o w e r t r a n s m i s s i o n l i n e . S i m u l a t i o n o f t h e c r e a t e d t r a n s m i s s i o n l i n e m o d e l i s c a r r i e d o u t w i t h a n d w i t h o u t T r a n s m i s s i o n L i n e A r r e s t e r ( T L A ) m o d e l t o e v a l u a t e t h e i m p r o v e m e n t s i n l i g h t n i n g b a c k f l a s h o v e r p e r f o r m a n c e a f t e r i n s t a l l a t i o n o f T L A s i n t h e s e l e c t e d t r a n s m i s s i o n l i n e . T h e r e s u l t o f t h e s i m u l a t i o n s s h o w s t h a t t h e i n s t a l l a t i o n o f 0 2 n o s . o f T L A s a t t o p p h a s e s o f e a c h s e l e c t e d t o w e r s i m p r o v e s 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 t h e s e l e c t e d p o w e r t r a n s m i s s i o n l i n e . P a g e I v A c k n o w l e d g e m e n t T h a n k s a r e d u e f i r s t t o m y s u p e r v i s o r s , P r o f e s s o r H . Y . R . P e r e r a a n d E n g . K . P . K . S h a n t h i , f o r t h e i r 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 . M y s i n c e r e t h a n k s g o e s t o t h e o f f i c e r s i n t h e 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 s 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 c o u r s e c o o r d i n a t o r s a n d r e s t o f t h e s t a f f w h o s e r v e i n 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 f i c e . M y s p e c i a l t h a n k s g o e s t o D r . D h a r s h a n a M u t h u m u n i w h o s p e n t h i s v a l u a b l e t i m e t o g u i d e m e a n d p r o v i d i n g v a l u a b l e i n f o r m a t i o n r e q u i r e d f o r t h i s s t u d y . 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 g r a t i t u d e t o E n g . L . A . S . F e r n a n d o , E n g . ( M r s . ) N A m a r a s i r i , E n g . W . W . R . P i t a w a l a , E n g . W . D . A . J . C h a n d r a k u m a r a , E n g . N . L . A . A . C h a n d r a n a t h , E n g . W . A . J a y a l a t h a n d E n g . U . R a n a t h u n g a w o r k i n g a t 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 e x c e l l e n t s u p p o r t a n d t h e e n c o u r a g e m e n t t o w a r d s t h e s u c c e s s o f t h i s a c a d e m i c w o r k . F u r t h e r m y h e a r t f e l t t h a n k s g o e s t o E n g . L . A . A . N . P e r e r a , E n g . K . P . D . S . K . D h a r m a d a s a a n d E n g . D . L . P . M u n a s i n g h e f o r t h e i r v a l u a b l e h e l p a n d t h e c o n t i n u o u s e n c o u r a g e m e n t . F i n a l l y , I w o u l d l i k e t o t h a n k m a n y i n d i v i d u a l s , 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 c o u l d n o t b e a b l e t o d o n e i t w i t h o u t y o u r s u p p o r t . M . C h a n a k a 2 9 1 h D e c e m b e r 2 0 1 0 P a g e I v i i L i s t o f f i g u r e s F i g u r e D e s c r i p t i o n P a g e F i g u r e 1 . 1 - B e n j a m i n F r a n k l i n ' s f a m o u s k i t e e x p e r i m e n t i n 1 7 5 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 F i g u r e 1 . 2 - C h a r g e d i s t r i b u t i o n o f t h u n d e r c l o u d s a n d t y p e s o f l i g h t n i n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 F i g u r e 1 . 3 - P r o g r e s s i o n o f t h e D o w n w a r d L e a d e r a n d f o r m a t i o n o f t h e R e t u r n S t r o k e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 F i g u r e 1 . 4 - I s o k e r a u n i c L e v e l ( I K L ) m a p o f S r i L a n k a [ 5 ] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 F i g u r e 1 . 5 - I n d u c e d c h a r g e s o n a p o w e r t r a n s m i s s i o n l i n e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 F i g u r e 1 . 6 - L i g h t n i n g S t r o k e C u r r e n t P r o b a b i l i t y D i s t r i b u t i o n [ 6 ] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 F i g u r e 1 . 7 - 2 2 0 k V , B i y a g a m a - K o t m a l e T r a n s m i s s i o n L i n e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 F i g u r e 1 . 8 - S i n g l e l i n e d i a g r a m o f V i c t o r i a c o m p l e x w i t h B i y a g a m a - K o t m a l e l i n e . 1 2 F i g u r e 1 . 9 - G r o u n d i n g r e s i s t a n c e v a r i a t i o n o f t o w e r s 3 1 - 5 2 a n d 8 3 - 9 7 s t a r t i n g f r o m K o t m a l e e n d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 F i g u r e 2 . 1 - C o m p a r i s o n o f m o n t h l y l i n e f a i l u r e s w i t h I K L . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6 F i g u r e 3 . 1 - C o m p l e t e t r a n s m i s s i o n l i n e m o d e l p r o p o s e d f o r t h e a n a l y s i s . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1 F i g u r e 3 . 2 - 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 i n P S C A D a n d i t s c o n n e c t i o n a r r a n g e m e n t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 F i g u r e 3 . 3 - C o n s t a n t P a r a m e t e r D i s t r i b u t e d L i n e ( C P D L ) M o d e l f o r T o w e r s . . . . . . . . . . 2 3 F i g u r e 3 . 4 - F l a s h o v e r v o l t a g e - t i m e c h a r a c t e r i s t i c o f 2 2 0 k V l i n e i n s u l a t i o n w i t h 2 m A r c - h o r n g a p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 F i g u r e 3 . 5 - I n s u l a t o r s t r i n g a n d b a c k f l a s h o v e r m o d e l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 F i g u r e 3 . 6 - B a s i c l o g i c d i a g r a m f o r b a c k f l a s h o v e r c o n t r o l m o d u l e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 8 F i g u r e 3 . 7 - G r o u n d i n g a r r a n g e m e n t o f a t y p i c a l e n d t e r m i n a t i o n m o d e l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 8 F i g u r e 3 . 8 - F r e q u e n c y d e p e n d e n t s u r g e a r r e s t e r m o d e l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 9 F i g u r e 3 . 9 - V - I R e l a t i o n s h i p f o r n o n l i n e a r r e s i s t o r s A 0 a n d A 1 [ 1 2 ] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 0 F i g u r e 3 . I 0 - S t a n d a r d w a v e f o r m s f o r l i g h t n i n g s u r g e v o l t a g e a n d c u r r e n t . . . . . . . . . . . . . . . 3 2 F i g u r e 3 . 1 1 - S y s t e m a n d A r r e s t e r p a r a m e t e r m a t c h i n g c o n f i g u r a t i o n [ 1 3 ] . . . . . . . . . . . . . . . 3 4 F i g u r e 3 . 1 2 - S e l e c t i o n p r o c e d u r e o f e l e c t r i c a l p a r a m e t e r s f o r A B B s u r g e a r r e s t e r s [ 1 3 ] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 5 F i g u r e 4 . 1 - T y p i c a l w o r k i n g w i n d o w o f P S C A D s o f t w a r e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 7 F i g u r e 4 . 3 - T r a n s m i s s i o n l i n e p a r a m e t e r i n p u t w i n d o w . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 8 F i g u r e 4 . 2 - T r a n s m i s s i o n l i n e m o d e l ( R e m o t e e n d m e t h o d ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 8 F i g u r e 4 . 5 - T y p i c a l t o w e r m o d e l c r e a t e d i n P S C A D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 9 F i g u r e 4 . 4 - G e n e r a l L i n e G e o m e t r y D a t a i n p u t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 9 F i g u r e 4 . 7 - I n s u l a t o r s t r i n g c a p a c i t o r a n d B a c k f l a s h o v e r B r e a k e r m o d e l s . . . . . . . . . . . . . . . 4 0 F i g u r e 4 . 6 - T o w e r g r o u n d i n g r e s i s t a n c e m o d e l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 0 F i g u r e 4 . 8 - B a c k f l a s h o v e r c o n t r o l m o d u l e i m p l e m e n t e d i n P S C A D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1 F i g u r e 4 . 9 - P o w e r f r e q u e n c y p h a s e v o l t a g e g e n e r a t o r m o d e l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2 F i g u r e 4 . 1 0 - L i n e t e r m i n a t i o n m o d e l c r e a t e d i n P S C A D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 3 F i g u r e 4 . 1 1 - S u r g e a r r e s t e r m o d e l c r e a t e d i n P S C A D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 4 P a g e I v i i i F i g u r e 4 . 1 2 - C r e a t e d t e s t c i r c u i t i n P S C A D f o r s u r g e a r r e s t e r t e s t i n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 5 F i g u r e 4 . 1 3 - T e s t s u r g e w a v e f o r m 3 0 / 6 0 u s w i t h 1 k A p e a k . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 6 F i g u r e 4 . 1 4 - T e s t r e s u l t , a r r e s t e r d i s c h a r g e v o l t a g e a t l k A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 6 F i g u r e 4 . 1 5 - T e s t s u r g e w a v e f o r m 8 / 2 0 f ! S w i t h 1 0 k A p e a k . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 7 F i g u r e 4 . 1 6 - T e s t r e s u l t , a r r e s t e r d i s c h a r g e v o l t a g e a t I O k A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 7 F i g u r e 4 . 1 6 - T e s t r e s u l t , a r r e s t e r d i s c h a r g e v o l t a g e a t 1 O k A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 8 F i g u r e 4 . 1 7 - L i g h t n i n g s u r g e g e n e r a t o r m o d e l c r e a t e d i n P S C A D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 8 F i g u r e 4 . 1 8 - M u l t i p l e R u n s i m u l a t i o n c o m p o n e n t i n P S C A D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 9 F i g u r e 5 . 1 - T y p i c a l v i e w o f a n o u t p u t d a t a f i l e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 4 F i g u r e 5 . 2 - R e s u l t s o f s i m u l a t i o n n o . ! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 5 F i g u r e 5 . 4 - R e s u l t s o f s i m u l a t i o n n o . 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 6 F i g u r e 5 . 3 - R e s u l t s o f s i m u l a t i o n n o . 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 6 F i g u r e 5 . 5 - R e s u l t s o f s i m u l a t i o n n o . 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 7 F i g u r e 5 . 6 - R e s u l t s o f s i m u l a t i o n n o . 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 7 F i g u r e 5 . 7 - R e s u l t s o f s i m u l a t i o n n o . 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 8 F i g u r e 5 . 8 - R e s u l t s o f s i m u l a t i o n n o . 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 8 F i g u r e 5 . 9 - R e s u l t s o f S i m u l a t i o n n o . 8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 9 F i g u r e 5 . I I - R e s u l t s o f S i m u l a t i o n n o . 1 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 0 F i g u r e 5 . I 0 - R e s u l t s o f S i m u l a t i o n n o . 1 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 0 P a g e I i x . . F i g u r e 4 . 1 2 - C r e a t e d t e s t c i r c u i t i n P S C A D f o r s u r g e a r r e s t e r t e s t i n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 5 F i g u r e 4 . 1 3 - T e s t s u r g e w a v e f o r m 3 0 / 6 0 u s w i t h 1 k A p e a k . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 6 F i g u r e 4 . 1 4 - T e s t r e s u l t , a r r e s t e r d i s c h a r g e v o l t a g e a t 1 k A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 6 F i g u r e 4 . 1 5 - T e s t s u r g e w a v e f o r m 8 / 2 0 j l S w i t h I O k A p e a k . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 7 F i g u r e 4 . 1 6 - T e s t r e s u l t , a r r e s t e r d i s c h a r g e v o l t a g e a t 1 O k A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 7 F i g u r e 4 . 1 6 - T e s t r e s u l t , a r r e s t e r d i s c h a r g e v o l t a g e a t 1 O k A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 8 F i g u r e 4 . 1 7 - L i g h t n i n g s u r g e g e n e r a t o r m o d e l c r e a t e d i n P S C A D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 8 F i g u r e 4 . 1 8 - M u l t i p l e R u n s i m u l a t i o n c o m p o n e n t i n P S C A D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 9 F i g u r e 5 . 1 - T y p i c a l v i e w o f a n o u t p u t d a t a f i l e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 4 F i g u r e 5 . 2 - R e s u l t s o f s i m u l a t i o n n o . 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 5 F i g u r e 5 . 4 - R e s u l t s o f s i m u l a t i o n n o . 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 6 F i g u r e 5 . 3 - R e s u l t s o f s i m u l a t i o n n o . 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 6 F i g u r e 5 . 5 - R e s u l t s o f s i m u l a t i o n n o . 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1 F i g u r e 5 . 6 - R e s u l t s o f s i m u l a t i o n n o . 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 7 F i g u r e 5 . 7 - R e s u l t s o f s i m u l a t i o n n o . 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 8 F i g u r e 5 . 8 - R e s u l t s o f s i m u l a t i o n n o . 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 8 F i g u r e 5 . 9 - R e s u l t s o f S i m u l a t i o n n o . 8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 9 F i g u r e 5 . 1 1 - R e s u l t s o f S i m u l a t i o n n o . 1 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 0 F i g u r e 5 . 1 0 - R e s u l t s o f S i m u l a t i o n n o . 1 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 0 P a g e I i x . . L i s t o f t a b l e s T a b l e D e s c r i p t i o n P a g e T a b l e 1 . 1 - R a n g e o f v a l u e s f o r l i g h t n i n g p a r a m e t e r s [ 6 ] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 T a b l e 1 . 2 - C E B S p e c i f i c a t i o n s f o r a s i n g l e i n s u l a t o r d i s c [ 4 ] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 T a b l e 2 . 1 - M o n t h l y l i n e f a i l u r e s a n d I K L . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6 T a b l e 3 . 1 - C a l c u l a t e d p a r a m e t e r s f o r a t y p i c a l t o w e r m o d e l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5 T a b l e 4 . 1 - l n i t i a l l , V v a l u e s f o r A o a n d A 1 [ 1 1 ] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 5 T a b l e 4 . 2 - R a n g e o f v a l u e s u s e d f o r v a r i a b l e s i n M u l t i p l e R u n c o m p o n e n t . . . . . . . . . . . . . . 5 0 T a b l e 4 . 3 - D e t a i l e d s i m u l a t i o n c r i t e r i a f o r S t e p - 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2 T a b l e 4 . 4 - D e t a i l e d s i m u l a t i o n c r i t e r i a f o r S t e p - 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 3 P a g e I x 1 . 1 H i s t o r i c a l o v e r v i e w o f l i g h t n i n g I n J u n e 1 7 5 2 . a n A m e r i c a n s c i e n t i s t c a l l e d B e n j a m i n F r a n k l i n ( 1 7 0 6 - 1 7 9 0 ) d i s c o v e r e d t h e l i g h t n i n g a s a n a t u r a l p h e n o m e n o n a s s o c i a t e d w i t h d i s c h a r g i n g s t a t i c e l e c t r i c i t y b y h i s f a m o u s k i t e e x p e r i m e n t a c c o m p a n i e d b y h i s s o n a s a n a s s i s t a n t ( S h o w n i n F i g u r e 1 . 1 ) . A s h e d i s c o v e r e d . t h e l i g h t n i n g i s a n a t u r a l p h e n o m e n o n i n v o l v i n g a n a t m o s p h e r i c d i s c h a r g e o f e l e c t r i c i t y a c c o m p a n i e d b y t h u n d e r , w h i c h C h a p t e r - 1 I n t r o d u c t i o n F i g u r e 1 . 1 - B e n j a m i n F r a n k l i n ' s f a m o u s k i t e e x p e r i m e n t i n 1 7 5 2 t y p i c a l l y o c c u r s d u r i n g t h u n d e r s t o r m s , a n d s o m e t i m e s d u r i n g v o l c a n i c e r u p t i o n s o r d u s t s t o r m s . T h e s e l i g h t n i n g s t r i k e l e a d e r s o r i n o t h e r w o r d s a h e a v y b u n c h o f e l e c t r i c c h a r g e s c a n r e a c h t r a v e l l i n g s p e e d s a b o u t 1 0 , 0 0 0 m s · 1 a n d c a n f o r m e x t r e m e l y h i g h t e m p e r a t u r e s l i k e 3 0 , 0 0 0 ° C f o r m i n g s o m e f r i g h t e n i n g a s w e l l a s f a s c i n a t i n g e v e n t s . I t h a s b e e n f o u n d i n m a n y r e s e a r c h e r s t h a t t h e r e a r e a r o u n d 1 6 m i l l i o n l i g h t n i n g s t o r m s l i k e l y t o b e f o r m e d i n t h e w o r l d e v e r y y e a r . T h e h i s t o r y o f l i g h t n i n g i s l i k e l y t o b e p r e s e n t e v e n b a c k i n b i l l i o n y e a r s a g o w h e r e t h e l i f e w a s n o t e v e n e v o l v e d o n o u r p l a n e t . F u r t h e r i t h a d b e e n p o s s i b l e t h a t t h e l i g h t n i n g i n v o l v e d i n f o r m i n g s o m e o r g a n i c m o l e c u l e s n e c e s s a r y f o r t h e f o r m a t i o n o f e v e r y l i f e f o r m [ ! ] . H a r l a n d a n d H a c k e r ( 1 9 6 6 ) r e p o r t e d o n a f o s s i l g l a s s y t u b e , r e f e r r e d t o a s a f u l g u r i t e , c r e a t e d b y l i g h t n i n g 2 5 0 m i l l i o n y e a r s a g o [ I ] . E v e n t h o u g h t h e B e n j a m i n F r a n k l i n h a d s h o w e d t h a t t h e l i g h t n i n g i s a d i s c h a r g e o f s t a t i c e l e c t r i c i t y ; t h e d e v e l o p m e n t o f t h e o r e t i c a l u n d e r s t a n d i n g w a s r i s e s a s t h e f i e l d o f p o w e r e n g i n e e r i n g c a m e i n t o p r a c t i c e , w h e r e t h e 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 w e r e s e v e r e l y a f f e c t e d b y l i g h t n i n g . A s a r e s u l t t h e r e w e r e l o t o f e x p e r i m e n t s o n l i g h t n i n g a n d i n 1 9 0 0 , N i k o l a T e s l a g e n e r a t e d a r t i f i c i a l l i g h t n i n g b y u s i n g a l a r g e T e s l a c o i l , e n a b l i n g t h e g e n e r a t i o n o f e n o r m o u s l y h i g h v o l t a g e s s u f f i c i e n t t o c r e a t e l i g h t n i n g . p a g e 1 1 ' I 1 . 2 T h e l i g h t n i n g p h e n o m e n a T h e p r e s e n t s c i e n t i f i c e x p l a n a t i o n o n h o w t h e l i g h t n i n g i s f o r m e d i s b a s i c a l l y d e v e l o p e d f r o m t h e r e s e a r c h e s c a r r i e d o u t b y B . F . J . S c h o n l a n d , D , J . M a l a n , a n d t h e i r c o - w o r k e r s i n S o u t h A f r i c a d u r i n g t h e 1 9 3 0 s b y f a c i l i t a t i n g a s p e c i a l c a m e r a c a l l e d S t r e a k C a m e r a . I t w a s s h o w n c o n c l u s i v e l y b y t h e S o u t h A f r i c a n r e s e a r c h e s t h a t l i g h t n i n g s t r o k e s l o w e r i n g n e g a t i v e c h a r g e t o g r o u n d a r e c o m p o s e d o f a d o w n w a r d l e a d e r a n d a n u p w a r d r e t u r n s t r o k e a n d t h a t t h e f i r s t s t r o k e - l e a d e r i s s t e p p e d . B . F . J . S c h o n l a n d ( 1 9 5 6 ) s u m m a r i z e d t h e m a i n r e s u l t s o f t h e S o u t h A f r i c a n s t u d i e s a n d m u c h o f t h e p r e s e n t l y u s e d l i g h t n i n g t e r m i n o l o g y w a s i n t r o d u c e d b y t h o s e s t u d i e s [ 1 ] . 1 . 2 . 1 C h a r g e s e p a r a t i o n o f t h u n d e r c l o u d s T h e v e r y f i r s t p r o c e s s o f g e n e r a t i n g l i g h t n i n g i s c o n s i d e r e d a s t h e c h a r g e s e p a r a t i o n i n a t h u n d e r c l o u d . T h e r e a r e t w o h y p o t h e s e s d e s c r i b i n g t h e p r o c e s s o f c h a r g e s e p a r a t i o n i n a t h u n d e r c l o u d c a l l e d " " P o l a r i z a t i o n m e c h a n i s m " a n d " E l e c t r o s t a t i c i n d u c t i o n " . T h e P o l a r i z a t i o n m e c h a n i s m h a s t w o s u b c o m p o n e n t s a s m e n t i o n e d b e l o w . a ) F a l l i n g d r o p l e t s o f i c e a n d r a i n b e c o m e e l e c t r i c a l l y p o l a r i z e d a s t h e y f a l l t h r o u g h t h e a t m o s p h e r e ' s n a t u r a l e l e c t r i c f i e l d b ) C o l l i d i n g i c e p a r t i c l e s b e c o m e c h a r g e d b y e l e c t r o s t a t i c i n d u c t i o n . C 1 o m l t o g r o u n d s t r i l - : : t C l o u d t o s p a c e s t r i k e + + + + + + + + + + + + F i g u r e 1 . 2 - C h a r g e d i s t r i b u t i o n o f t h u n d e r c l o u d s a n d t y p e s o f l i g h t n i n g I c e a n d s u p e r - c o o l e d w a t e r a r e t h e k e y s t o t h e p r o c e s s . T u r b u l e n t w i n d s m o v e v i o l e n t l y t h e s e s u p e r - c o o l e d w a t e r d r o p l e t s , c a u s i n g t h e m t o c o l l i d e . W h e n t h e s u p e r - c o o l e d w a t e r d r o p l e t s h i t i c e c r y s t a l s , s o m e n e g a t i v e i o n s t r a n s f e r f r o m o n e p a r t i c l e t o P a g e I 2 . . a n o t h e r . T h e s m a l l e r , l i g h t e r p a r t i c l e s l o s e n e g a t i v e i o n s a n d b e c o m e p o s i t i v e ; t h e l a r g e r , m o r e m a s s i v e p a r t i c l e s g a i n n e g a t i v e i o n s a n d b e c o m e n e g a t i v e l y c h a r g e d . A c c o r d i n g t o t h e e l e c t r o s t a t i c i n d u c t i o n h y p o t h e s i s c h a r g e s e p a r a t i o n a p p e a r s t o r e q u i r e s t r o n g u p d r a f t s w h i c h c a r r y w a t e r d r o p l e t s u p w a r d , s u p e r - c o o l i n g t h e m t o b e t w e e n - I 0 a n d - 2 0 ° C . T h e s e c o l l i d e w i t h i c e c r y s t a l s t o f o r m a s o f t i c e - w a t e r m i x t u r e c a l l e d G r a u p e l . T h e c o l l i s i o n s r e s u l t i n a s l i g h t p o s i t i v e c h a r g e b e i n g t r a n s f e r r e d t o i c e c r y s t a l s a n d a s l i g h t n e g a t i v e c h a r g e t o t h e G r a u p e l . U p d r a f t s d r i v e l i g h t e r i c e c r y s t a l s u p w a r d s , c a u s i n g t h e c l o u d t o p t o a c c u m u l a t e i n c r e a s i n g p o s i t i v e c h a r g e . T h e h e a v i e r n e g a t i v e l y c h a r g e d G r a u p e l f a l l s t o w a r d s t h e m i d d l e a n d l o w e r p o r t i o n s o f t h e c l o u d , b u i l d i n g u p a n i n c r e a s i n g n e g a t i v e c h a r g e . C h a r g e s e p a r a t i o n a n d a c c u m u l a t i o n c o n t i n u e u n t i l t h e e l e c t r i c a l p o t e n t i a l b e c o m e s s u f f i c i e n t t o i n i t i a t e l i g h t n i n g d i s c h a r g e s , w h i c h o c c u r s w h e n t h e g a t h e r i n g o f 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 f o r m s a s u f f i c i e n t l y s t r o n g e l e c t r i c f i e l d . T h e r e f o r e d u e t o c h a r g e s e p a r a t i o n p r o c e s s , i n m o s t o f t h e t h u n d e r c l o u d s t h e r e i s a N e g a t i v e C h a r g e C e n t r e a t t h e b o t t o m o f t h e c l o u d w h e r e t h e t e m p e r a t u r e i s a b o u t - 5 ° C , w h e r e a s P o s i t i v e C h a r g e C e n t r e a p p e a r s a t t h e t o p o f t h e c l o u d a t t e m p e r a t u r e a b o u t - 2 0 ° C . I n a d d i t i o n t o t h e s e t h e r e a r e l o c a l i z e d p o s i t i v e l y c h a r g e d r e g i o n f o r m e d n e a r t h e b a s e o f t h e c l o u d w h e r e t h e t e m p e r a t u r e i s a b o u t 0 ° C . 1 . 2 . 2 E l e c t r i c f i e l d s a n d e n e r g y i n t h u n d e r c l o u d s I n a t y p i c a l t h u n d e r c l o u d , t h e s t a t i c c h a r g e o f a b o u t 2 0 C a r e s e p a r a t e d b y d i s t a n c e s o f a b o u t 3 k m w h e r e a s a f i e l d o f a b o u t 1 O O O V / m i s e x i s t i n g n e a r t h e c e n t e r o f t h e c l o u d g i v i n g a t o t a l p o t e n t i a l d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e c h a r g e c e n t r e s t o b e b e t w e e n 1 0 0 t o 1 O O O M V . T h e r e f o r e t h i s t y p e o f c h a r g e d c l o u d i s c a p a b l e o f d i s s i p a t i n g e n e r g y o f t h e o r d e r o f I 0 0 0 t o I O , O O O M J b y a l i g h t n i n g s t r o k e w h e r e m u c h o f t h e e n e r g y i s s p e n t i n h e a t i n g u p a n a r r o w a i r c o l u m n s u r r o u n d i n g t h e d i s c h a r g e t o a t e m p e r a t u r e i s a b o u t 1 5 , 0 0 0 ° C w i t h i n f e w m i c r o s e c o n d s [ 3 ] . B a s i c a l l y t h e s t a t i c c h a r g e c o n t e n t o f a b i p o l a r c h a r g e d c l o u d i s i n t h e r a g e o f I 0 t o 3 0 C w h e r e a s t h e c h a r g e c e n t r e s a r e s e p a r a t e d b y a d i s t a n c e s i n t h e r a g e o f 2 t o 5 k m . T h e a v e r a g e c u r r e n t d i s s i p a t e d b y l i g h t n i n g i s o f t h e o r d e r o f k i l o - a m p e r e s . D u r i n g a n a v e r a g e l i g h t n i n g s t o r m , a t o t a l o f t h e o r d e r o f k i l o - c o u l o m b s o f c h a r g e w o u l d b e g e n e r a t e d , b e t w e e n t h e 0 ° C a n d t h e - 4 0 ° C l e v e l s , i n a v o l u m e o f a b o u t 5 0 k m 3 [ 3 ] . P a g e I 3 . . . . 1 . 2 . 3 L e a d e r f o r m a t i o n a n d b r e a k d o w n m e c h a n i s m A s a t h u n d e r c l o u d m o v e s o v e r t h e E a r t h ' s s u r f a c e , a n e q u a l b u t o p p o s i t e c h a r g e t s i n d u c e d i n t h e E a r t h b e l o w , a n d t h e i n d u c e d g r o u n d c h a r g e f o l l o w s t h e m o v e m e n t o f t h e c l o u d . A n i n i t i a l b i p o l a r d i s c h a r g e , o r p a t h o f i o n i z e d a i r , s t a r t s f r o m a n e g a t i v e l y c h a r g e d m i x e d w a t e r a n d i c e r e g i o n i n t h e t h u n d e r c l o u d . T h e d i s c h a r g e i o n i z e d c h a n n e l s a r e c a l l e d l e a d e r s . T h e n e g a t i v e c h a r g e d l e a d e r s , c a l l e d a " s t e p p e d l e a d e r " , p r o c e e d g e n e r a l l y d o w n w a r d i n a n u m b e r o f q u i c k j u m p s , e a c h u p t o 5 0 m e t e r s l o n g ( S e e F i g u r e 1 . 3 ) . A l o n g t h e w a y , t h e s t e p p e d l e a d e r m a y b r a n c h i n t o a n u m b e r o f p a t h s a s i t c o n t i n u e s t o d e s c e n d . T h e p r o g r e s s i o n o f s t e p p e d l e a d e r s t a k e s a c o m p a r a t i v e l y l o n g t i m e ( h u n d r e d s o f m i l l i s e c o n d s ) t o a p p r o a c h t h e g r o u n d . T h i s i n i t i a l p h a s e i n v o l v e s a r e l a t i v e l y s m a l l e l e c t r i c c u r r e n t ( t e n s o r h u n d r e d s o f a m p e r e s ) , a n d t h e l e a d e r i s a l m o s t i n v i s i b l e c o m p a r e d t o t h e s u b s e q u e n t l i g h t n i n g c h a n n e l . W h e n a s t e p p e d l e a d e r a p p r o a c h e s t h e g r o u n d , t h e p r e s e n c e o f o p p o s i t e c h a r g e s o n t h e g r o u n d e n h a n c e s t h e e l e c t r i c f i e l d . T h e e l e c t r i c f i e l d i s h i g h e s t o n t r e e s a n d t a l l b u i l d i n g s . I f t h e e l e c t r i c f i e l d i s s t r o n g e n o u g h , a c o n d u c t i v e d i s c h a r g e ( c a l l e d a p o s i t i v e s t r e a m e r ) c a n d e v e l o p f r o m t h e s e p o i n t s . A s t h e f i e l d i n c r e a s e s , t h e p o s i t i v e s t r e a m e r m a y e v o l v e i n t o a h o t t e r , h i g h e r c u r r e n t l e a d e r w h i c h e v e n t u a l l y c o n n e c t s t o t h e d e s c e n d i n g s t e p p e d l e a d e r f r o m t h e c l o u d . I t i s a l s o p o s s i b l e f o r m a n y s t r e a m e r s t o d e v e l o p f r o m m a n y d i f f e r e n t o b j e c t s s i m u l t a n e o u s l y , w i t h o n l y o n e c o n n e c t i n g w i t h t h e l e a d e r a n d f o r m i n g t h e m a i n d i s c h a r g e p a t h . W h e n t h e t w o l e a d e r s m e e t , t h e e l e c t r i c c u r r e n t g r e a t l y i n c r e a s e s . T h e r e g i o n o f h i g h c u r r e n t p r o p a g a t e s b a c k u p t h e C l o u d 3 k m G r o u n d 7 0 v s " ' ( 2 0 m s . . 1 . . ~ i i ! l ' f ) P i l e i ' • • . . ' , s t r e a m e r ' < . · · ~ /~).~ ' > \ : , ' < , , S t e p p e d ' ' l e a d e r y 4 0 m s . . . . . M a i n s l r o k e ( r e t u r n s t r u k e ) T i m e " " 6 0 ! I S 6 0 v s _ . . 2 m s / " ' ( 3 0 m s · · · · · · ) > 1 m s J i l R e t u r n s t r o k e i F i g u r e 1 . 3 - P r o g r e s s i o n o C t h e D o w n w a r d L e a d e r a n d f o r m a t i o n o f t h e R e t u r n S t r o k e P a g e I 4 p o s i t i v e s t e p p e d l e a d e r i n t o t h e c l o u d w i t h a " r e t u r n s t r o k e " t h a t i s t h e m o s t l u m i n o u s p a r t o f t h e l i g h t n i n g d i s c h a r g e . W h e n t h e e l e c t r i c f i e l d b e c o m e s s t r o n g e n o u g h , a n e l e c t r i c a l d i s c h a r g e ( t h e b o l t o f l i g h t n i n g ) o c c u r s w i t h i n c l o u d s o r b e t w e e n c l o u d s a n d t h e g r o u n d . D u r i n g t h e s t r i k e , s u c c e s s i v e p o r t i o n s o f a i r b e c o m e a c o n d u c t i v e d i s c h a r g e c h a n n e l a s t h e e l e c t r o n s a n d p o s i t i v e i o n s o f a i r m o l e c u l e s a r e p u l l e d a w a y f r o m e a c h o t h e r a n d f o r c e d t o f l o w i n o p p o s i t e d i r e c t i o n s . T h e e l e c t r i c a l d i s c h a r g e r a p i d l y s u p e r h e a t s t h e d i s c h a r g e c h a n n e l , c a u s i n g t h e a i r t o e x p a n d r a p i d l y a n d p r o d u c e a s h o c k w a v e h e a r d a s t h u n d e r . T h e r o l l i n g a n d g r a d u a l l y d i s s i p a t i n g r u m b l e o f t h u n d e r i s c a u s e d b y t h e t i m e d e l a y o f s o u n d c o m i n g f r o m d i f f e r e n t p o r t i o n s o f a l o n g s t r o k e . 1 . 2 . 4 T y p e s o f l i g h t n i n g C u r r e n t l y t h e r e a r e f e w n u m b e r o f m a j o r l i g h t n i n g t y p e s h a v e b e e n r e c o g n i z e d b a s e d o n p a t 1 i c u l a r c h a r a c t e r i s t i c s e x h i b i t s b y e a c h t y p e s o f l i g h t n i n g s t r o k e s . C l o u d t o G r o u n d , I n t e r C l o u d s , I n t r a C l o u d s a n d C l o u d t o S p a c e a r e f e w m a j o r t y p e s o f t h e m ( S e e f i g u r e 1 . 2 ) . I n a d d i t i o n , t h e r e a r e f e w m i n o r t y p e s w e r e a l s o r e c o g n i z e d c a l l e d D r y l i g h t n i n g , R o c k e t l i g h t n i n g , P o s i t i v e l i g h t n i n g , B a l l l i g h t n i n g a n d U p p e r - a t m o s p h e r i c l i g h t n i n g . 1 . 2 . 5 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 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 i s b a s i c a l l y d e f i n e d a s t h e f l a s h e r s o c c u r r i n g p e r u n i t a r e a p e r y e a r . D u e t o t h e p r a c t i c a l d i f f i c u l t i e s a n d n e c e s s i t y o f v e r y s o p h i s t i c a t e d e q u i p m e n t 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 i s c a l c u l a t e d b y a n a l t e r n a t i v e w a y b y u s i n g a n e a s i l y d e t e r m i n e d p a r a m e t e r c a l l e d K e r a u n i c l e v e l . T h i s 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 ' ' [ 3 ] . I t d o e s n o t e v e n d i s t i n g u i s h e d b e t w e e n w h e t h e r l i g h t n i n g w a s h e a r d o n l y o n c e d u r i n g t h e d a y o r w h e t h e r t h e r e w a s a l o n g t h u n d e r s t o r m . F o r t u n a t e l y , 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 r s p e r u n i t a r e a p e r y e a r [ 3 ] . 1 . 3 L i g h t n i n g d a t a o f S r i L a n k a I n 1 9 6 8 , t h e r e w a s a s t u d y c a l l e d " l i g h t n i n g c o n d i t i o n s i n C e y l o n , a n d m e a s u r e s t o r e d u c e d a m a g e t o e l e c t r i c a l e q u i p m e n t " w h i c h w a s c a r r i e d o u t b y D r . G i - i c h i I k e d a b y a n A s i a n P r o d u c t i v i t y P r o j e c t T E S / 6 8 [ 3 ] . I n t h a t s t u d y h e h a s c o m p i l e d t h e w e a t h e r \ P a g e I 5 r e p o r t s f r o m 1 9 3 1 t o 1 9 6 0 t o g e n e r a t e t h e l s o k e r a u n i c L e v e l s ( I K L ) a s s h o w n i n t h e F i g u r e 1 . 4 [ 5 ] . ~-.:o>., Jajiki~.rt:t=""\:. ,,;-;...<>~4~~ ( ' : - , . _ "~ . . . . . . . . . , ' v ) \---~~ 0 4 0 ll~krn ( } . t O P : t l k & ; y ( ' < . _ , _ "<-~ ' ; " \ B a y 3 { ) m • ·'-:::::::~ M b d o w J o . . ~. _ o t " ' ' 6 e - " . . J --~~~§f _ _ . . . . . . - - - - - - ' \ , B e n g a l ) _ . T r i o c o m a l & e ' ! ~ . . . . . \ K I ' i t ' , . A n u r a d h a p u r a a p ~~~ 5 5 G u l f ~~~ ( . 3 0 t o s o ) + i , " ' o f \ - P u t t a l a m _ _ . . . - - - " ' · · · \ ' - - - - l M a r m a r ---~~------------~-----.----- ~,.!;3attica.loa • M a t a t e . 63'~, - . , 6 0 t u X O • • > t ( N o g o m b o l . K a n d y _ _ _ _ . . _ . . - - - / { " . . - - - - - - - · < , : . B a d u l l a Oehrwala--~PO~ewa:,o 3 6 \ ) M I . La.vini~."Kott~.V 1 4 \ . \ an~umt M o r a t u w a \ ' J O w \ R a t n a p u r a \ : : - o 1 0 0 1 0 V \ . ' " f / b~}O\\' ! , : : o g ; . J o l _ r · " I j . _ . \ • / \ 1 - X t \ v ; , . L . - - - t J ? t ' i : n e \ , . , . / _ _ . . . . ; : ; - > ' H e u n b a r t t o t a ~.r · · - · · · F s t i m a t . : d F i g u r e 1 . 4 - l s o k e r a u n i c L e v e l ( I K L ) m a p o f S r i L a n k a [ 5 ] 1 . 4 I n t r o d u c t i o n t o t r a n s m i s s i o n s y s t e m o f S r i L a n k a T h e p o w e r t r a n s m i s s i o n s y s t e m o f S r i L a n k a i s s o l e l y o w n e d a n d c o n t r o l l e d b y 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 o f S r i L a n k a a n d p r e s e n t l y c o m p r i s e s o n l y 1 3 2 k V a n d 2 2 0 k V t r a n s m i s s i o n l i n e s i n t e r c o n n e c t i n g g r i d s u b s t a t i o n s a n d p o w e r s t a t i o n s . I n e a r l y 1 9 6 0 s , t h e 1 3 2 k V t r a n s m i s s i o n l i n e s w e r e i n t r o d u c e d w i t h t h e d e v e l o p m e n t o f L a x a p a n a c a s c a d e d h y d r o p o w e r c o m p l e x a s s o c i a t e d w i t h K e h e l g a m u - O y a a n d M a s k e l i - O y a r i v e r b a s i n s . S i m i l a r l y t h e 2 2 0 k V t r a n s m i s s i o n l i n e s w e r e i n t r o d u c e d t o t h e s y s t e m i n 1 9 8 0 s w i t h t h e d e v e l o p m e n t o f M a h a w e l i H y d r o P o w e r c o m p l e x a s s o c i a t e d w i t h t h e M a h a w e l i r i v e r b a s i n s . S u b s e q u e n t d e v e l o p m e n t s i n t h e t r a n s m i s s i o n s y s t e m h a v e e x p a n d e d t h e n e t w o r k i n t o t h e p r e s e n t s t a t e a s s h o w n i n A n n e x - ! a n d A n n e x - 2 . P r e s e n t l y t h e r e a r e a b o u t 7 6 n o s . o f t r a n s m i s s i o n l i n e s o p e r a t i n g i n t h e n e t w o r k c o n n e c t i n g a b o u t 7 5 n o s . o f t r a n s m i s s i o n n e t w o r k p o i n t s i n c l u d i n g p o w e r s t a t i o n s . T h e t r a n s m i s s i o n n e t w o r k i s p r e s e n t l y c o n t r o l l e d b y t h e S y s t e m C o n t r o l l e d C e n t r e l o c a t e d a t D e m a t a g o d a . P a g e I 6 -1 . 5 L i g h t n i n g e f f e c t s o n p o w e r t r a n s m i s s i o n l i n e s W h e n c h a r g e d c l o u d s f o r m e d a b o v e a t r a n s m i s s i o n l i n e , c a u s e s t o i n d u c e p o s i t i v e c h a r g e s o n s h i e l d w i r e s a s w e l l a s o n p h a s e c o n d u c t o r s d u e t o t h e n e g a t i v e c h a r g e s a t t h e b o t t o m o f c l o u d s a s s h o w n i n f i g u r e 1 . 5 . T h i s l e a d s t o f o r m c a p a c i t a n c e s b e t w e e n ~_-;_:_;;:~:_;;:_~~-~ C h a 1 g : t > d < l o u d P h a s t > w i r t > l I " . ' ) ] S t : l l l ( € ' ' ' ' ' ( ' 1 i - - r - - C l - C a p . l n t . u t < e b t > h W I O ! l d o n d a n d b u e C 1 - C ' a p a d t a m " ' b t ' h v e i O ! t b u t > a n d g : r o u n d + F i g u r e 1 . 5 - I n d u c e d c h a r g e s o n a p o w e r t r a n s m i s s i o n l i n e c l o u d t o l i n e , c l o u d t o g r o u n d a n d l i n e t o g r o u n d ; t h o s e w i l l e x i s t u n t i l t h e c h a r g e a t c l o u d d i s a p p e a r s b y a l i g h t n i n g s t r o k e . T h e r e a r e s e v e r a l d i s c h a r g i n g p a t h s e x i s t i n g f o r t h e s e c a p a c i t o r s d e p e n d i n g o n t h e l i g h t i n g s t r o k e b e h a v i o r a n d u l t i m a t e l y c a u s i n g g r e a t d a m a g e s a n d l i n e i n t e r r u p t i o n s . T h e r e a r e t h r e e m a j o r p o s s i b i l i t i e s o f l i g h t i n g s t r o k e b e h a v i o r c a u s i n g l i n e i n t e r r u p t i o n s . C a s e 1 : W h e n a l i g h t n i n g l e a d e r s t r o k e s o n t o a t o w e r o r s h i e l d w i r e w i l l 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 c l o u d s t o s h i e l d w i r e . T h i s l e a d s t o f l o w h e a v y s u r g e c u r r e n t s t h r o u g h t o w e r s t o g r o u n d a n d c a s i n g t o w e r p o t e n t i a l r i s e i n a s s o c i a t i o n w i t h h i g h g r o u n d i n g i m p e d a n c e o f t o w e r s . P o t e n t i a l r i s e i n t o w e r s i n d u c e s e x t r e m e l y h i g h s t r e s s e : o . a c r o s s l i n e i n s u l a t o r s w h i c h l e a d t o f l a s h o v e r f r o m t o w e r t o p h a s e / l i n e c o n d u c t o r s c a l l e d b a c k f l a s h o v e r s . P a g e I 7 \ I L . C a s e 2 : W h e n a l i g h t n i n g l e a d e r s t r o k e s o n t o a l i n e / p h a s e c o n d u c t o r ( c a l l e d a s s h i e l d i n g f a i l u r e s ) , w i l l i n d u c e s v e r y h i g h v o l t a g e s d u e t o t h e d i r e c t d i s c h a r g e o f c a p a c i t a n c e b e t w e e n c l o u d t o l i n e / p h a s e c o n d u c t o r s . B a s i c a l l y t h e t r a v e l l i n g w a v e s w i l l b e g e n e r a t e d o n t h e l i n e a n d c a u s i n g h i g h v o l t a g e s t r e s s e s a c r o s s t h e l i n e i n s u l a t i o n l e a d s t o b r e a k d o w n a t e v e n l o w c u r r e n t s . T h e i n s u l a t i o n f a i l u r e i s u s u a l l y o c c u r s a t l i n e i n s u l a t o r s a t t o w e r s w h e r e a s f l a s h o v e r s b e t w e e n p h a s e / l i n e c o n d u c t o r s a t m i d s p a n s a r e v e r y r e a r . C a s e 3 : W h e n a l i g h t n i n g l e a d e r s t r o k e s t o n e a r b y g r o u n d d i r e c t l y o r t h r o u g h a n y o t h e r g r o u n d e d o b j e c t , t h e c a p a c i t a n c e b e t w e e n t h e c l o u d a n d g r o u n d w i l l b e d i s c h a r g e d . T h e r e b y t h e i n d u c e d c h a r g e s a t t o w e r s a n d a l l o t h e r c o n d u c t o r s w i l l b e d i s c h a r g e d w h i l e f o r m i n g t r a v e l l i n g w a v e s o n c o n d u c t o r s . I n a d d i t i o n t h e r e i s a p o s s i b i l i t y o f p o t e n t i a l r i s e o n t o w e r s a t c l o s e p r o x i m i t y o f t h e l i g h t n i n g s t r u c k p o i n t s d u e t o t h e g r o u n d p o t e n t i a l g r a d i e n t s f o r m e d b y t h e l i g h t n i n g s t r o k e . T h e r e b y v o l t a g e s w i l l b e a p p e a r e d a c r o s s i n s u l a t o r s d u e t o t h o s e c o m b i n e d a c t i o n s o f t r a v e l l i n g w a v e s a n d p o t e n t i a l r i s e o n t o w e r s l e a d s t o f l a s h o v e r s . A n y h o w t h e f l a s h o v e r i n c i d e n t s o f t h i s k i n d i s v e r y r a r e a n d n o t a c o n s i d e r a b l e f a c t i n t r a n s m i s s i o n s y s t e m v o l t a g e s h i g h e r t h a n 6 6 k V [ 3 ] . P a r a m e t e r M i n i m u m T y p i c a l M a x i m u m N u m b e r o f r e t u r n s t r o k e s p e r f l a s h 1 2 t o 4 2 6 D u r a t 1 o n o f f l a s h ( s ) 0 . 0 3 0 . 2 2 T i m e b e t w e e n s t r o k e s ( m s ) 3 4 0 t o 6 0 1 0 0 P e a k c u r r e n t p e r r e t u r n s t r o k e ( k A ) 1 1 0 t o 2 0 2 5 0 C h a r g e p e r f l a s h ( C ) 1 1 5 t o 2 0 4 0 0 T i m e t o p e a k c u r r e n t ( L L s ) < 0 . 5 1 . 5 t o 2 3 0 R a t e o f r i s e ( k A i f t S ) < 1 2 0 2 1 0 T i m e t o h a l f v a l u e ( p s ) 1 0 4 0 t o 5 0 2 5 0 D u r a t i o n o f c o n t i n u i n g c u r r e n t ( m s ) 5 0 1 5 0 5 0 0 P e a k c o n t i n u i n g c u r r e n t ( A ) 3 0 1 5 0 1 6 0 0 ' - l i a r g e i n c o n t i n u i n g c u r r e n t ( C ) 3 2 5 3 3 0 T a b l e 1 . 1 - R a n g e o f v a l u e s f o r l i g h t n i n g p a r a m e t e r s [ 6 ] ,~, P a g e I 8 i 1 . 6 L i g h t n i n g P a r a m e t e r s T h e r e a r e s e v e r a l l i g h t n i n g p a r a m e t e r s ( S e e T a b l e 1 . 1 ) o f p r i m a r y i n t e r e s t t o t h e e l e c t r i c p o w e r u t i l i t y e n g i n e e r a r e d e f i n e d a n d u s e d t o a d d r e s s t h e l i g h t n i n g i s s u e s a s d e s c r i b e d i n t h e p r e v i o u s s e c t i o n . S o m e o f t h e m a r e d e s c r i b e d i n t h e f o l l o w i n g s e c t i o n s . 1 . 6 . 1 T h e q u a n t i t y o f l i g h t n i n g a c t i v i t y i n a g i v e n a r e a T h e q u a n t i t y o f l i g h t n i n g a c t i v i t y i s i d e a l l y m e a s u r e d i n t e r m s o f t h 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 p e r u n i t a r e a p e r y e a 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 ) . T h i s v a l u e , d e n o t e d a s N g , i s i n u n i t s o f f l a s h e s p e r k m 2 p e r y e a r . T o d a y , t h e G F D i s u s u a l l y m e a s u r e d b y u s e o f l i g h t n i n g l o c a t i o n s y s t e m s , e i t h e r b y g a t e d w i d e b a n d m a g n e t i c d i r e c t i o n - f i n d i n g s y s t e m s o r t i m e - o f - a r r i v a l s y s t e m s . B e f o r e u s i n g t h e s e a d v a n c e d s y s t e m s t h e G F D i s c a l c u l a t e d w i t h t h e a i d o f l o c a l I K L d a t a . T h e I E E E a n d C I G R E r e c o m m e n d a r o u g h r e l a t i o n s h i p o f G F D a n d l o c a l I K L a s s h o w n i n t h e e q u a t i o n 1 - 1 b e l o w [ 6 ] . G F D = 0 . 0 4 T / 2 5 = 0 . 0 5 4 T h 1 1 ( 1 - 1 ) W h e r e : G F D = a v e r a g e f l a s h e s t o e a r t h / k m 2 / y e a r T c t = 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 ( k e r a u n i c l e v e l ) T h = a v e r a g e t h u n d e r h o u r s p e r y e a r ( k e r a u n i c l e v e l ) 1 . 6 . 2 T h e d i s t r i b u t i o n o f t h e c r e s t c u r r e n t o f a l i g h t n i n g f l a s h A p r i m a r y d a t a b a s e f o r l i g h t n i n g p a r a m e t e r s w a s i n i t i a l l y d e v e l o p e d b y P r o f e s s o r K a r l B e r g e r i n S w i t z e r l a n d b a s e d o n t h e n u m b e r o f s t r o k e s r e c o r d e d o n 7 0 m a n d 8 0 m h i g h m a s t s , l o c a t e d o n t o p o f t h e 6 5 0 m h i g h M o u n t S a n S a l v a t o r e . T h e r e w e r e 1 1 9 6 f l a s h e s i n 1 1 y e a r s . O u t o f t h e s e , 7 5 % w e r e n e g a t i v e - u p w a r d , 1 1 % w e r e n e g a t i v e - d o w n w a r d , a n d t h e r e m a i n d e r w a s p o s i t i v e - u p w a r d [ 6 ] . T h e s e d a t a w a s u s e d i n c o m b i n a t i o n w i t h s o m e o t h e r r e c o r d e d d a t a a t d i f f e r e n t c o u n t r i e s t o f o r m t h e w e l l k n o w C I G R E c r e s t c u r r e n t d i s t r i b u t i o n c u r v e . I n a d d i t i o n t o t h e C I G R E d i s t r i b u t i o n c u r e t h e r e w a s a a n o t h e r e q u a t i o n f o r m u l a t e d t o o b t a i n t h e c r e s t c u r r e n t d i s t r i b u t i o n c u r v e b y A n d e r s o n [ 6 ] a n d a d o p t e d b y t h e I E E E / P E S W o r k i n g G r o u p o n E s t i m a t 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 T r a n s m i s s i o n L i n e s . P a g e I 9 B o t h t h e s e c u r v e s g i v e a l m o s t t h e s a m e d i s t r i b u t i o n w i t h d e v i a t i o n s a t v e r y l o w a n d v e r y h i g h c u r r e n t s w h e r e t h e a v a i l a b l e l i g h t i n g d a t a i s m i n i m u m ( S e e f i g u r e 1 . 6 ) . 1 . 6 . 3 T h e w a v e s h a p e o f a l i g h t n i n g f l a s h A l m o s t a l l l i g h t n i n g s t r o k e s a r e d i f f e r e n t f r o m e a c h o t h e r a n d t h e r e f o r e n o t w o s t r o k e c u r r e n t w a v e s h a p e s a r e e x a c t l y a l i k e , a n d t h e v a r i a t i o n s i n w a v e s h a p e a r e s u b s t a n t i a l . M o s t c o m p u t e r p r o g r a m s t h a t c a l c u l a t 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 a s s u m e a s t r a i g h t r i s i n g f r o n t , a d o u b l e e x p o n e n t i a l w a v e s h a p e , o r a C I G R E w a v e s h a p e . 1 0 . 1 p ( i > l l ; 1 • ( 1 / 3 1 ) 2 6 0 . 0 1 . . . ' , I E E E ' . . / \ P E R C E N T A G E O F ' . . . ' , , F L A S H E S H A V I N G 5 t O G R E P E A K C U R R E N T S L E S S T H A N A B S C I S S A 2 0 - - - - - - - - - 5 0 8 0 . . ' I I I I I I I I 9 ' 5 1 - - - - ; - - - - - t - - - - - 9 S 9 9 . 9 9 9 . 9 9 1 1 I I I I I 1 0 I I I I I I I L k A 1 0 0 0 F i g u r e 1 . 6 - L i g h t n i n g S t r o k e C u r r e n t P r o b a b i l i t y D i s t r i b u t i o n [ 6 ] T h e r e i s n o e x a c t r u l e f o r t h e u s e o f a w a v e s h a p e f o r E M T P s i m u l a t i o n s a n d t h e s e l e c t i o n i s d e p e n d i n g o n t h e t y p e o f E M T P a n a l y s i s o r t h e a p p l i c a t i o n . T h e f r o n t t i m e , t a i l t i m e , p e a k c u r r e n t m a g n i t u d e a n d t h e t o t a l c h a r g e d e l i v e r e d b y t h e s t r o k e c u r r e n t a r e t h e b a s i c p a r a m e t e r s g o v e r n b y t h e w a v e s h a p e . 1 . 6 . 4 T o t a l c h a r g e d e l i v e r e d b y a l i g h t n i n g s t r o k e A n a p p r o x i m a t e d e s t i m a t e o f t o t a l c h a r g e d e l i v e r e d b y a l i g h t n i n g s t r o k e c a n b e o b t a i n e d b y i n t e g r a t i n g i t s c u r r e n t w a v e f o r m . B y t h i s i n t e g r a t i o n r e s u l t s , i t c l e a r l y s h o w s t h a t h i g h e r p o t i o n o f t h e t o t a l c h a r g e d e l i v e r e d i s a s s o c i a t e d w i t h t h e t a i l s i d e o f t h e w a v e f o r m r a t h e r a t t h e f r o n t o f i t a f t e r t h e c r e s t c u r r e n t i s r e a c h e d . T h e r e f o r e t h e t a i l t i m e o f a l i g h t n i n g c u r r e n t s t r o k e i s t h e g o v e r n i n g f a c t w h i c h d e t e r m i n e s t h e t o t a l c h a r g e d e l i v e r y . A l s o t h e t o t a l c h a r g e i n a l i g h t n i n g f l a s h t h a t d e t e r m i n e s t h e e n e r g y f e d i n t o s u r g e a r r e s t e r s , a n d i t i s a l s o t h e c h a r g e t h a t c a u s e s p i t t i n g a n d b u r n i n g o f P a g e 1 1 0 -s h i e l d w i r e s a t c o n t a c t p o i n t s . I t h a s b e e n n o t e d t h a t , b e t w e e n s o m e s t r o k e c u r r e n t p e a k s a n d a t t h e c u r r e n t d e c a y a t t h e e n d o f l i g h t n i n g f l a s h e s , a l o w , a l m o s t d i r e c t c u r r e n t . c a n f l o w f o r m a n y m i l l i s e c o n d s ; m o r e c h a r g e c a n b e d e l i v e r e d b y t h i s l o w c u r r e n t t h a n b y t h e h i g h c u r r e n t p e a k s i n a f l a s h . T h e s e l o w c u r r e n t s , b e c a u s e o f t h e i r l o n g e r d u r a t i o n , a c t s o m e w h a t l i k e a n a r c w e l d e r . C o n t i n u i n g c u r r e n t s o f h u n d r e d s o f a m p e r e s l a s t i n g h u n d r e d s o f m i l l i s e c o n d s h a v e b e e n m e a s u r e d o n i n s t r u m e n t e d t o w e r s . T h e s e c o n t i n u i n g c u r r e n t s c a n t r a n s f e r m a n y c o u l o m b s o f c h a r g e i n a d d i t i o n t o t h e m a i n p o r t i o n o f t h e l i g h t n i n g w a v e s h a p e [ 6 ] . B e r g e r [ 6 ] i n t e g r a t e d t h e c u r r e n t r e c o r d s o f d o w n w a r d f l a s h e s t o M o n t e S a n S a l v a t o r e i n S w i t z e r l a n d t o d e t e r m i n e t h e c h a r g e s d e l i v e r e d a n d r e p o r t e d t h a t i n o n e c a s e a p o s i t i v e c h a r g e r e a c h e d 3 0 0 c o u l o m b s . T h e p o s i t i v e f l a s h e s t e n d t o d e l i v e r a l m o s t 1 0 t i m e s a s m u c h c h a r g e a s n e g a t i v e f l a s h e s , b u t p o s i t i v e f l a s h e s a r e m u c h l e s s f r e q u e n t [ 6 ] . 1 . 7 S e l e c t e d t r a n s m i s s i o n l i n e f o r t h e s t u d y T h e c a s e s t u d y d e s c r i b e d i n t h i s r e p o r t i s b a s e d o n t h e 2 2 0 k V p o w e r t r a n s m i s s i o n l i n e w h i c h c o n n e c t s K o t m a l e G e n e r a t i o n S t a t i o n t o B i y a g a m a G r i d S u b s t a t i o n a s s h o w n i n t h e f i g u r e 1 . 7 . T h i s t r a n s m i s s i o n l i n e w a s c o m m i s s i o n e d i n 1 9 8 5 a s a p a r t o f t h e t r a n s m i s s i o n l i n e p r o j e c t w h i c h c o n s i s t s o f c o n s t r u c t i n g t h e 2 2 0 k V d u p l e x z e b r a c o n d u c t o r l i n e f r o m K E R A W A L A P I T I Y A ' A N I Y A K A N D A K E L A N I T I S S A K O L O N N A W A S R I J A Y A W A R D H A N A P U R A R J ! . T I \ • I A L A N A L A X A P A N A ~~~ C A N Y O N RATNAPU~ F i g u r e 1 . 7 - 2 2 0 k V . B i y a g a m a - K o t m a l e T r a n s m i s s i o n L i n e P a g e I l l L V i c t o r i a t o B i y a g a m a t h r o u g h K o t m a l e a s s h o w n i n t h e f i g u r e 1 . 8 . T h e t r a n s m i s s i o n l i n e s e l e c t e d i n t h i s s t u d y i s a b o u t 7 0 . 5 k m i n l e n g t h a n d h a v i n g 2 0 6 n o s . o f d o u b l e c i r c u i t s t e e l l a t t i c e t o w e r s w i t h 2 n o s . G a l v a n i z e d S t e e l o v e r h e a d G r o u n d W i r e s p r o v i d i n g p r o t e c t i o n a g a i n s t l i g h t n i n g . A c o m p l e t e s e t o f l i n e d a t a i s a t t a c h e d a s A n n e x 3 . T h e s e l e c t e d B i y a g a m a - K o t m a l e 2 2 0 k V t r a n s m i s s i o n l i n e i s o n e o f t h e c r i t i c a l t r a n s m i s s i o n n e t w o r k e l e m e n t s i n t h e n a t i o n a l g r i d b e c a u s e ; t h i s l i n e d e l i v e r s t h e h i g h e s t p o r t i o n o f t h e g e n e r a t e d p o w e r f r o m M a h a w e l i h y d r o p o w e r c o m p l e x t o t h e l o a d s . :XZN>l~. ' : " 0 5 t m 2 - x Z t l l n , ' : ' 0 ~k.ln E 1 - ' E W ~~1 A N t " ? . . A D H A PUR:~nt• " ' • _ . . . , . . . ~ . . ~ I . I N J : O T I ! A L E \ , C ' T O R L \ B I Y A O A M A . 2 \ " l : : O l M~YA . , . ; u l Y A k V 2"-"Z"-'U.~\.lbl\ -'--.-~UOkV ! 1 0 I . V 1 B a d u l l a R A N D E N I G A L A 1 3 2 k V L y n x , 3 k m F i g u r e 1 . 8 - S i n g l e l i n e d i a g r a m o f V i c t o r i a c o m p l e x w i t h B i y a g a m a - K o t m a l e l i n e 1 . 7 . 1 T r a n s m i s s i o n T o w e r s a n d c o n f i g u r a t i o n A s d e s c r i b e d i n t h e p r e v i o u s s e c t i o n t h e s e l e c t e d t r a n s m i s s i o n l i n e c o n s i s t s o f 2 0 6 n o s . d o u b l e c i r c u i t , s e l f - s t a n d i n g , s t e e l l a t t i c e t o w e r s w i t h s t a n d a r d 3 m , 6 m , 9 m a n d 1 2 m b o d y e x t e n s i o n s a t s o m e c e r t a i n l o c a t i o n s t o m a i n t a i n t h e m i n i m u m g r o u n d c l e a r a n c e v a l u e o f 7 . 3 1 m . T h e r e f o r e t h e t y p i c a l t o w e r h e i g h t w i l l v a r y b e t w e e n 3 0 t o 3 5 m . C o n d u c t o r a r r a n g e m e n t a t t o w e r s i s i n v e r t i c a l f o r m a t i o n w h e r e e a c h c r o s s a r m h o l d s 0 2 n o s . Z e b r a c o n d u c t o r s f o r e a c h p h a s e . A t y p i c a l t o w e r d r a w i n g i s a t t a c h e d a s A n n e x 4 . P a g e I 1 2 1 . 7 . 2 I n s u l a t o r s a n d a r c h o r n g a p s T o u g h e n g l a s s C a p & P i n t y p e i n s u l a t o r d i s c s a l o n g w i t h g a l v a n i z e d i n s u l a t o r h a r d w a r e a r e u s e d t o f o r m b o t h s u s p e n s i o n a n d t e n s i o n i n s u l a t o r s t r i n g s . E a c h l i n e i n s u l a t o r s t r i n g o f t h i s t r a n s m i s s i o n l i n e i s c o n s i s t s o f a n a r c h o r n g a p w h e r e t h e g a p i s a d j u s t a b l e a t l i n e t e r m i n a t i o n e n d s o n l y . T h e g a p o f a r c i n g h o r n f o r a 2 2 0 k V l i n e i s s e t t o b e 2 m w h e r e a s t h e g a p a t t e r m i n a t i o n e n d s w i l l b e a d j u s t e d a s p e r t h e i n s u l a t i o n c o o r d i n a t i o n r e q u i r e m e n t s o f t h e s u b s t a t i o n e q u i p m e n t . C E B s p e c i f i c a t i o n f o r a s i n g l e i n s u l a t o r d i s c i s g i v e n i n T a b l e 1 . 2 . 1 . 7 . 3 P h a s e c o n d u c t o r s D u p l e x Z e b r a c o n d u c t o r s o f 4 8 4 m m 2 a r e u s e d f o r t h e p h a s e c o n d u c t o r s o f t h e s e l e c t e d t r a n s m i s s i o n l i n e h a v i n g m a x i m u m o p e r a t i n g t e m p e r a t u r e a t 7 5 ° C . A s a r e s u l t t h e c o r o n a p e r f o r m a n c e o f t h e l i n e i s b e t t e r t h a n o t h e r a v a i l a b l e t r a n s m i s s i o n l i n e s d u e t o t h e i n c r e a s e d G e o m e t r i c a l M e a n R a d i u s o f t h e c o n d u c t o r s . A n y h o w t h e i n c r e a s e d c o r o n a p e r f o r m a n c e o f p h a s e c o n d u c t o r s h a s a n e g a t i v e i m p a c t o n t r a n s i e n t p e r f o r m a n c e d u e t o t h e r e d u c t i o n o f t r a v e l l i n g w a v e - f r o n t d i s t o r t i o n l e a d s t o d e v e l o p c o m p a r a t i v e l y h i g h e r v o l t a g e s a c r o s s l i n e i n s u l a t o r s . D i m e n s i o n s U n i t s S u s p e n s i o n T e n s i o n s t r i n g s t r i n g N o m i n a l d i a m e t e r o f d i s c m m 2 5 4 2 8 0 N o m i n a l s p a c i n g o f d i s c m m 1 4 6 1 4 6 N o m i n a l c r e e p a g e d i s t a n c e m m 2 8 0 3 0 0 W i t h s t a n d v o l t a g e s P o w e r f r e q u e n c y , D r y k V 7 0 7 0 P o w e r f r e q u e n c y , W e t k V 4 0 4 0 I m p u l s e 1 . 2 x 5 0 u S k V 1 1 0 I I 0 P u n c t u r e v o l t a g e k V I I 0 1 1 0 E l e c t r o m e c h a n i c a l f a i l u r e l o a d k N 1 2 0 1 6 0 T a b l e 1 . 2 - C E B S p e c i f i c a t i o n s f o r a s i n g l e i n s u l a t o r d i s c [ 4 ] 1 . 7 . 4 E a r t h i n g o f t o w e r s E a r t h i n g o f t o w e r s i s o f g r e a t i m p o r t a n c e d u e t o i t s d i r e c t i m p a c t o n l i n e p e r f o r m a n c e a t l i g h t n i n g e v e n t s . M o s t o f t h e t o w e r e a r t h i n g h a s b e e n d o n e t h r o u g h t h e t o w e r f o u n d a t i o n w h e r e a s t r i p o f m e t a l b o n d e d t o t h e t o w e r l e g i s t a k e n o u t a n d e a r t h s e p a r a t e l y . V e r y l o w e a r t h r e s i s t a n c e s i n t h e o r d e r o f 2 0 t o 3 0 a r e o b t a i n e d w h e r e i n s i t u o r p r e c a s t p i l e f o u n d a t i o n s u s e d i n m a r s h y s o i l c o n d i t i o n s . P a g e 1 1 3 A c h i e v i n g o f C E B s p e c i f i e d I O Q e a r t h i n g r e s i s t a n c e i s o f g r e a t d i f f i c u l t y i n t h e a r e a s w h e r e t h e t o w e r s a r e l o c a t e d i n r o c k y l a n d s o r g r a v e l s o i l c o n d i t i o n s . I n s u c h c a s e s c o u n t e r p o i s e w i r e s w e r e u s e d w i t h s p e c i f i e d l e n g t h s . F i g u r e 1 . 9 s h o w s t h e v a r i a t i o n o f e a r t h i n g r e s i s t a n c e s o f s e l e c t e d t w o l i n e s e c t i o n s h a v i n g t o w e r n u m b e r s 3 1 - 5 2 a n d 8 3 - 9 7 s t a r t i n g f r o m K o t m a l e e n d . T o w e r G r o u n d i n g R e s i s t a n c e { R g ) V a r i a t i o n 7 0 6 0 ; : : : ; - S t " J " " . 0 ~ 4 J ·~ " ' S L 1 . 5 3 0 2 7 . 3 6 2 . 5 - 1 9 . 5 3 8 2 ~ 2 J 1 7 . 2 1 G . 1 8 8 1 I ' " I I i · . · I ' • ' I····~; I ~-':TI l ' i T . ; : ' i l f n l n h l . . 3 1 3 2 3 3 3 : 1 3 5 3 6 3 7 3 8 3 0 • 1 0 4 1 4 2 4 3 4 4 4 5 4 6 4 7 4 8 4 9 5 0 5 1 5 2 8 3 8 4 8 5 8 b 8 7 8 8 8 9 9 0 9 1 9 2 9 3 9 4 9 5 9 6 9 7 T o w e r N u m b e r • ~.g@ 2 5 r - - l ? F i g u r e 1 . 9 - G r o u n d i n g r e s i s t a n c e 1 · a r i a t i o n o f t o w e r s 3 1 - 5 2 a n d 8 3 - 9 7 s t a r t i n g f r o m K o t m a l e e n d \ . r a g e 1 1 4 I C h a p t e r - 2 P r o b l e m i d e n t i f i c a t i o n 2 . 1 I n t r o d u c t i o n T h e p e r f o r m a n c e o f a p o w e r s y s t e m i s m a i n l y d e p e n d i n g o n t h e p e r f o r m a n c e o f t r a n s m i s s i o n l i n e s . T h e r e f o r e c o n t i n u e s o p e r a t i o n o f t r a n s m i s s i o n l i n e s w i t h o u t s u d d e n o u t a g e s i s u t m o s t i m p o r t a n t f o r t h e p e r f o r m a n c e i n t h e v i e w p o i n t o f p o w e r d e l i v e r y a s w e l l a s s y s t e m s t a b i l i t y . L i g h t n i n g e f f e c t s o n t r a n s m i s s i o n l i n e s a r e o n e o f t h e m a j o r r e a s o n s w h i c h l e a d t o s u d d e n l i n e o u t a g e s . A s d e s c r i b e d i n t h e s e c t i o n 1 . 5 o f t h e p r e v i o u s c h a p t e r , t h e b a c k f l a s h o v e r e v e n t s a r e t h e d o m i n a n t r e a s o n o f l i n e o u t a g e s . T h e s e l e c t e d 2 2 0 k V B i y a g a m a - K o t m a l e t r a n s m i s s i o n l i n e i s a d o u b l e c i r c u i t l i n e w h i c h d e l i v e r s t h e l a r g e s t a m o u n t o f p o w e r g e n e r a t e d b y M a h a w e l i H y d r o p o w e r C o m p l e x t o t h e m a i n l o a d c e n t r e a t C o l o m b o . S u d d e n o u t a g e o f t h e s e t w o c i r c u i t s c r e a t e s a n e x c e s s p o w e r g e n e r a t e d a t K o t m a l e e n d a n d t e n d s t o f l o w t h r o u g h t h e o t h e r t w o 1 3 2 k V l i n e s f e e d i n g t o B a d u l l a a n d N e w A n u r a d h a p u r a S u b s t a t i o n s c o n n e c t e d t o K o t m a l e a n d R a n t e m b e S u b s t a t i o n s r e s p e c t i v e l y . O u t o f t h e s e t w o l i n e s , t h e n e w A n u r a d h a p u r a l i n e h a s h i g h e r i m p e d a n c e d u e t o i t s h i g h e r l i n e l e n g t h c o m p a r e d t o R a n t e m b e - B a d u l l a l i n e . T h e r e f o r e , R a n t e m b e - B a d u l l a l i n e i s m o r e v u l n e r a b l e t o t r i p o f f d u e t o o v e r l o a d i n g . A s a r e s u l t t h e K o t m a l e t o N e w A n u r a d h a p u r a 1 3 2 k V l i n e w i l l g e t o v e r l o a d a n d r e s u l t i n g i n l o s s o f a l l l i n e s c o n n e c t e d t o t h e V i c t o r i a g e n e r a t i o n e n d . U l t i m a t e l y t h i s c r e a t e s a s u d d e n l o s s o f a r o u n d 3 0 0 M W t o t h e s y s t e m w i t h i n f e w s e c o n d s o f t i m e w h i c h l e a d s t h e s y s t e m t o w a r d s t o t a l f a i l u r e . T h e r e f o r e i t i s u t m o s t i m p o r t a n t t o a v o i d a n y d o u b l e c i r c u i t f a i l u r e s b y 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 t h e s e l e c t e d B i y a g a m a - K o t m a l e t r a n s m i s s i o n l i n e t o a v o i d t o t a l f a i l u r e s a n d a s s o c i a t e d s e v e r e f i n a n c i a l l o s s e s . 2 . 2 P r e l i m i n a r y s t u d i e s A c c o r d i n g t o t h e p a s t p e r f o r m a n c e r e c o r d s o f t h i s t r a n s m i s s i o n l i n e , i t h a s b e e n n o t i c e d t h a t t h e f a i l u r e o f t h i s t r a n s m i s s i o n l i n e h a s g r e a t i n f l u e n c e t o w a r d s a t o t a l f a i l u r e o f t h e s y s t e m . O u t o f t h o s e , m o s t o f t h e l i n e o u t a g e s w e r e d u e t o t h e e f f e c t o f P a g e 1 1 5 l i g h t n i n g , s i n c e m o s t o f t h e m w e r e r e c o r d e d i n t h e m o n t h s , A p r i l t o J u n e a n d O c t o b e r t o N o v e m b e r w h e r e t h e l i g h t n i n g i s f r e q u e n t . 2 . 2 . 1 T h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n m o n t h l y I s o k e r a u n i c l e v e l a n d l i n e f a i l u r e s A c c o r d i n g t o t h e s t u d y [ 4 ] i t h a s b e e n f o u n d t h a t t h e r e i s a c l e a r r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e m o n t h l y I s o k e r a u n i c l e v e l ( I K L ) v a r i a t i o n s w i t h t h e m o n t h l y a v e r a g e f a i l u r e s o f t h i s l i n e . T a b l e s a n d g r a p h s s h o w i n g t h e " m o n t h l y f a i l u r e s " a n d " I K L v a r i a t i o n w i t h m o n t h l y f a i l u r e v a r i a t i o n " r e s p e c t i v e l y a r e r e p r o d u c e d h e r e i n c l u d i n g f e w m o r e r e c e n t l y a v a i l a b l e d a t a . T a b l e 2 . 1 s h o w s t h e m o n t h l y l i n e f a i l u r e s f r o m 2 0 0 4 t o 2 0 0 9 w h e r e a s t h e F i g u r e 2 . 1 i l l u s t r a t e s t h e r e l a t i o n s h i p o f I K L l e v e l w i t h t h e m o n t h l y t r a n s m i s s i o n l i n e f a i l u r e s . . . . . . . . . ~ . . . . = ~ : : = . . . . ~ ; . . . . . " " " : n u [ 5 1 2 : ' \ 2 0 0 4 ( } 2 0 0 5 ( l 2 0 0 6 ( ) 2 0 0 7 ( l 2 0 0 8 1 2 0 0 9 ( I T o t a l 1 - - 1 4 ~ 1 2 ~ : ; 2 1 0 . . . 0 8 " ' Q ) . . . 6 . . : ! · ; ; . . . . 4 0 0 z 2 0 . . . . . . . . . . . . . . . . ~ ~ ~ . . . . ~ . . . . ~ ~ ~ . . . . . t ; = . . . . 5 5 e - - ~ ( . 1 = : : : : . . . . . . . . . . . . ~ . . . . . . . . . = ~ . . . . ~ ~ . . . . ~ : : = - C f o : : : . . . . . . . 6 ( . 1 - : : : . . - ~ = = ~ ( . 1 ~ ~ ~ - - r . ~ ~ - - r . : ; r . '~ z ~ - . - . ---~ u - - . . . , 2 9 2 6 " l - ( - ) . . , 6 ) - . - . ~""" _ : - " . - - _ . . , _ _ . . . , . - " ' ( I I I ( ) ( l ( _ ) 0 ( I ( I 1 ( I ( l 1 ( I - . 1 - . 1 I ) ( I ( I ) ( I _ . . , . ) { ) u ( I ( I ( I 0 ( j 1 ( I ( J ( J ( I ( I ( I ( I ( I n n ( I ( I ( \ n ( I u 1 " l ! ( J 0 ( I ( I u 0 , 1 - ( J ( I ! ) . . , ( J ( I ( l ( I 1 • - 1 _ . . , - - 1 0 4 7 5 1 0 1 3 7 4 T a b l e 2 . 1 - M o n t h l y l i n e f a i l u r e s a n d I K L C o m p a r i s o n o f m o n t h l y l i n e f a i l u r e s w i t h I K L - M o n t h l y a v e r a g e " l K L " 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 M o n t h - e - M o n t h l y l i n e f a i l u r e s f i g u r e 2 . 1 - C o m p a r i s o n o f m o n t h l y l i n e f a i l u r e s w i t h I K L - ~ . . . . . 0 ( - ; 0 1 1 4 0 1 0 0 0 7 1 1 3 4 P a g e I 1 6 2 . 2 . 2 L i n e s e c t i o n s h a v i n g h i g h e r p r o b a b i l i t y o f i n s u l a t o r f a i l u r e s I t h a s b e e n f o u n d i n t h e p r e v i o u s s t u d y [ 4 ] , t h a t t h e r e a r e t w o l i n e s e c t i o n s o f t h e s e l e c t e d t r a n s m i s s i o n l i n e h a v e h i g h e r p r o b a b i l i t y o f i n s u l a t o r d a m a g e s o r f l a s h o v e r s m a r k s a c c o r d i n g t o t h e b r e a k d o w n a n d m a i n t e n a n c e r e c o r d s . T h o s e a r e : 1 . T h e l i n e s e c t i o n h a v i n g t o w e r s , n o . 3 3 t o 5 0 a n d 2 . T h e l i n e s e c t i o n h a v i n g t o w e r s , n o . 8 5 t o 9 5 f r o m K o t m a l e s i d e F u r t h e r i t h a s b e e n f o u n d t h a t t h e s e l e c t e d t r a n s m i s s i o n l i n e i s c r o s s i n g o v e r t h e 1 3 2 k V A t h u r u g i r i y a - P o l p i t i y a t r a n s m i s s i o n l i n e a t t h e a b o v e t w o l i n e s e c t i o n s [ 4 ] . T h e r e f o r e t h e a b o v e t w o l i n e s e c t i o n s h a v e b e e n s e l e c t e d f o r t h e s t u d y d e s c r i b e d i n t h i s r e p o r t . 2 . 3 B a c k f l a s h o v e r e f f e c t s o n t r a n s m i s s i o n l i n e s A s d e s c r i b e d i n s e c t i o n 1 . 5 , b a c k f l a s h o v e r e v e n t s o c c u r w h e n t h e l i g h t n i n g s t r i k e s o n e i t h e r t o w e r o r s h i e l d w i r e s . T h e s e s t r i k e s p r o d u c e w a v e s o f c u r r e n t s a n d v o l t a g e s t r a v e l l i n g o n t h e s h i e l d w i r e s c a l l e d t r a v e l l i n g w a v e s a n d r e f l e c t i o n s o c c u r s a t e v e r y p o i n t s w h e r e i m p e d a n c e d i s c o n t i n u i t i e s . A c c o r d i n g l y s u r g e v o l t a g e s c a n b e d e v e l o p e d a c r o s s l i n e i n s u l a t o r s e x c e e d i n g t h e 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 ) w h e r e f l a s h o v e r s o c c u r f r o m t o w e r t o l i n e c a l l e d b a c k f l a s h o v e r s . T h e f o l l o w i n g l i s t s h o w s t h e p a r a m e t e r s t h o s e a f f e c t t h e l i n e B a c k F l a s h o v e r R a t e ( B F R ) . a ) G r o u n d f l a s h d e n s i t y ( S e e e q u a t i o n 1 - 1 ) b ) S u r g e i m p e d a n c e s o f t h e s h i e l d w i r e s a n d t o w e r s c ) C o u p l i n g f a c t o r s b e t w e e n c o n d u c t o r s d ) P o w e r f r e q u e n c y v o l t a g e e ) T o w e r a n d l i n e h e i g h t f ) S p a n l e n g t h g ) I n s u l a t i o n s t r e n g t h h ) F o o t i n g r e s i s t a n c e a n d s o i l c o m p o s i t i o n A c c o r d i n g t o a p r e v i o u s s t u d y [ 4 ] t h e B F R f o r t h e s e l e c t e d B i y a g a m a - K o t m a l e t r a n s m i s s i o n l i n e i s c a l c u l a t e d a s 4 . 3 7 p e r y e a r , w h e r e a s t h e r e i s n o d i r e c t f l a s h o v e r f a i l u r e s c a n b e e x p e c t e d . T h e r e f o r e i t i s c o n c l u d e d t h a t t h e t o t a l e x p e c t e d f a i l u r e s a r e P a g e 1 1 7 o n l y d u e t o t h e b a c k f l a s h o v e r f a i l u r e s o f t h i s l i n e w h i c h i s 4 . 3 7 p e r y e a r . F u r t h e r t h e c a l c u l a t e d e x p e c t e d f a i l u r e r a t e 4 . 3 7 p e r y e a r i s j u s t i f i e d b y t h e o b s e r v e d v a l u e w h i c h i s o n l y 4 . 6 p e r y e a r [ 4 ] . 2 . 3 . 1 E a r t h f a u l t s a t p o w e r f r e q u e n c y v o l t a g e d u e t o b a c k f l a s h o v e r e v e n t s A n i o n i z a t i o n p a t h f o r m s b e t w e e n t h e A r c h o r n g a p s , w h e n t h e a i r i n s u l a t i o n b e t w e e n t h e g a p s i s b r e a k d o w n d u e t o a b a c k f l a s h o v e r e v e n t . T h i s i o n i z a t i o n p a t h a c t s a s a c o n d u c t i v e p a t h t o f o r m a n e a r t h f a u l t c o n d i t i o n e v e n a t t h e p o w e r f r e q u e n c y v o l t a g e s . W h e n a t r a n s m i s s i o n l i n e p r o t e c t i o n s y s t e m i s p r o v i d e d w i t h a u t o - r e c l o s i n g f a c i l i t y , t h e c i r c u i t b r e a k e r w i l l b e r e c l o s e d a u t o m a t i c a l l y w i t h a s e t t i m e d e l a y ( 5 0 0 m s ) a f t e r a b a c k f l a s h o v e r t r i p e v e n t t o a v o i d p e r m a n e n t l i n e o u t a g e . A n e a r t h f a u l t c a n b e d e v e l o p e d a t p o w e r f r e q u e n c y v o l t a g e i f t h e i o n i z a t i o n p a t h i s p e r s i s t s a t t h e m o m e n t o f f i r s t r e c l o s i n g o p e r a t i o n . T h e r e f o r e t h e r e c l o s i n g o p e r a t i o n w i l l b e b l o c k e d a n d t h e c i r c u i t b r e a k e r w i l l b e a t o p e n e d p o s i t i o n ( b r e a k e r l o c k o u t ) l e a v i n g t h e t r a n s m i s s i o n l i n e a t d e a d c o n d i t i o n . T h i s t y p e o f l i n e o u t a g e s c a n d e v e l o p s e v e r e s y s t e m i n s t a b i l i t i e s a n d e v e n t o t a l f a i l u r e s . S u c h e v e n t s h a v e b e e n r e p o r t e d i n t h e s e l e c t e d B i y a g a m a - K o t m a l e t r a n s m i s s i o n l i n e i n t h e p a s t h i s t o r y o f o p e r a t i o n . T h e r e f o r e t h i s i s s u e h a s b e e n a d d r e s s e d i n t h i s r e p o r t b y p r o v i n g a s o f t w a r e b a s e d a n a l y s i s a p p r o a c h t o p r o v i d e s o l u t i o n s t h r o u g h a n e w c o n c e p t o f p r o v i d i n g p r o t e c t i o n c a l l e d t r a n s m i s s i o n l i n e m o u n t e d a r r e s t e r s ( T L A ) . 2 . 4 P r e v e n t i o n o f B a c k f l a s h o v e r e v e n t s I m p r o v i n g t o w e r e a r t h i n g r e s i s t a n c e i s t h e k e y w a y o f a v o i d i n g b a c k f l a s h o v e r s . H o w e v e r i t i s n o t p r a c t i c a b l e a s w e l l a s n o t e c o n o m i c a l w h e n t h e t o w e r s a r e l o c a t e d a t h i l l y a r e a s w h e r e t h e s o i l c o n d i t i o n s a r e v e r y b a d . U n b a l a n c e d o r i m p r o v e d l i n e i n s u l a t i o n i s a n o t h e r w a y o f p r e v e n t i n g b a c k f l a s h o v e r s . H o w e v e r t h i s i s a l s o n o t a n e c o n o m i c a l w a y d u e t o t h e r e q u i r e m e n t o f a d d i t i o n a l i n s u l a t o r d i s c s a s w e l l a s t h i s m a y n e e d m o d i f i c a t i o n s i n t h e t o w e r s . T h e r e f o r e i t i s f o u n d t h a t t h e m o s t e c o n o m i c a l a n d e f f e c t i v e w a y o f p r e v e n t i n g b a c k f l a s h o v e r s i s t o i n s t a l l T r a n s m i s s i o n L i n e A r r e s t e r s a t s e l e c t e d t o w e r l o c a t i o n s . P a g e I 1 8 2 . 5 P r o j e c t o b j e c t i v e s T h e o b j e c t i v e s o f t h i s s t u d y a r e : I . M o d e l i n g a n d s i m u l a t i o n o f 2 2 0 k V B i y a g a m a - K o t m a l e p o w e r t r a n s m i s s i o n l i n e i n E M T P s o f t w a r e ( P S C A D ) f o r l i g h t n i n g b a c k f l a s h o v e r a n a l y s i s 2 . C o n d u c t i n g s e n s i t i v i t y a n a l y s i s o f l i n e m o d e l f o r b a c k f l a s h o v e r e f f e c t s 3 . S e l e c t i o n a n d m o d e l i n g o f T r a n s m i s s i o n L i n e A r r e s t e r s ( T L A ) f o r E M T P ~\m\.\\~\\Q~~ 4 . S i m u l a t i o n a n d p e r f o r m a n c e a n a l y s i s o f l i n e m o d e l c o m b i n e d w i t h s e l e c t e d T L A s \ P a g e 1 1 9 \ ; / C h a p t e r - 3 M e t h o d o l o g y 3 . 1 E M T P / P S C A D m o d e l i n g a n d s i m u l a t i o n T h e m e t h o d o l o g y o f a n a l y z i n g t h e e f f e c t s o f l i g h t n i n g b a c k f l a s h o v e r s o n t h e s e l e c t e d 2 2 0 k V B i y a g a m a - K o t m a l e p o w e r t r a n s m i s s i o n l i n e i s b a s i c a l l y c o n s i s t s o f f a s t f r o n t t r a n s i e n t m o d e l i n g a n d s i m u l a t i o n i n E M T P t y p e s o f t w a r e . T h e p o w e r t r a n s m i s s i o n l i n e a n d t h e b a c k f l a s h o v e r e v e n t w a s m o d e l e d b y f r e q u e n c y d e p e n d e n t f a s t f r o n t t r a n s i e n t m o d e l s d u e t o t h e n a t u r e o f h i g h e r f r e q u e n c y d e p e n d e n c y o f l i g h t n i n g s t r o k e s t y p i c a l l y r a n g i n g f r o m I k H z t o 3 0 M H z [ 1 ] . S i m u l a t i o n o f t h e m o d e l w a s d o n e f o r s e v e r a l c a s e s v a r y i n g s o m e p a r a m e t e r s w h i c h a r e h i g h l y a f f e c t i n g t h e b a c k f l a s h o v e r o c c u r r e n c e , t o a n a l y z e t h e b e h a v i o r o f p o w e r t r a n s m i s s i o n l i n e f o r s u c h c o n d i t i o n s . E M T P s o f t w a r e ' s a r e w i d e l y u s e d b y t h e m o s t o f p o w e r u t i l i t i e s t o m o d e l , a n a l y z e a n d t o f i n d s o l u t i o n s f o r p o w e r s y s t e m t r a n s i e n t r e l a t e d p r o b l e m s l i k e l i g h t n i n g e f f e c t s , G I S s w i t c h i n g e f f e c t s , t r a n s i e n t c o n d i t i o n a n a l y s i s o f e l e c t r i c m a c h i n e s , h a r m o n i c a n a l y s i s , p o w e r q u a l i t y i s s u e s , p o w e r e l e c t r o n i c s a n d e t c . P S C A D i s w e l l - k n o w n w o r l d w i d e E M T P s o f t w a r e d e v e l o p e d b y M a n i t o b a H V D C r e s e a r c h C e n t r e i n C a n a d a , w h i c h w a s c o n c e p t u a l i z e d i n 1 9 8 8 a n d b e g a n i t s l o n g e v o l u t i o n a s a t o o l t o g e n e r a t e d a t a f i l e s f o r t h e E M T D C s i m u l a t i o n p r o g r a m . P S C A D w a s f i r s t i n t r o d u c e d a s a c o m m e r c i a l p r o d u c t a s V e r s i o n 2 t a r g e t e d f o r U N I X p l a t f o r m s i n 1 9 9 4 a n d n o w a v a i l a b l e f o r w i n d o w s p l a t f o r m s w i t h u s e r f r i e n d l y i n t e r f a c e a n d h i g h l y s o p h i s t i c a t e d t o o l s a n d a w e l l - d e v e l o p e d s i m u l a t i o n e n g i n e b e i n g f u l l y m a t u r e f o r m a n y y e a r s . T h e P S C A D w a s u s e d a s t h e E M T P s o f t w a r e i n t h i s s t u d y f o r m o d e l i n g a n d a n a l y s e s o f l i g h t n i n g b a c k f l a s h o v e r e f f e c t s o n 2 2 0 k V B i y a g a m a - K o t m a l e p o w e r t r a n s m i s s i o n l i n e . E a c h o f t h e t r a n s m i s s i o n l i n e e l e m e n t s w e r e m o d e l e d b y i n t e r n a t i o n a l l y a c c e p t e d f a s t f r o n t t r a n s i e n t m o d e l s p r o p o s e d b y v a r i o u s s t u d i e s c a r r i e d o u t p r e v i o u s l y . S o m e o f t h e e l e m e n t s l i k e t r a n s m i s s i o n l i n e a n d m e t a l o x i d e s u r g e a r r e s t e r s w e r e m o d e l e d b y u s i n g t h e s t a n d a r d l i b r a r y m o d e l s a v a i l a b l e i n t h e P S C A D i t s e l f . A l l t h e o t h e r m o d e l s w e r e s e l e c t e d f r o m v a r i o u s i n t e r n a t i o n a l p u b l i c a t i o n s i n t h i s f i e l d . P a g e I 2 0 3 . 2 P r o p o s e d e l e c t r o m a g n e t i c t r a n s i e n t m o d e l f o r 2 2 0 k V B i y a g a m a - K o t m a l e t r a n s m i s s i o n l i n e T h e b a s i c f a s t f r o n t t r a n s i e n t t r a n s m i s s i o n l i n e m o d e l w h i c h w a s i m p l e m e n t e d i n t h e P S C A D i s s h o w n i n t h e f i g u r e 3 . 1 . T h e c o m p l e t e l i n e m o d e l c o n s i s t s o f s e v e r a l s u b m o d e l s r e p r e s e n t i n g t h e f o l l o w i n g t r a n s m i s s i o n l i n e e l e m e n t s . a ) ' ' T r a n s m i s s i o n l i n e s e c t i o n m o d e l s " i n c l u d i n g t o w e r s u p t o t h e l i n e e n d t e r m i n a t i o n s ( e x : l i n e s e c t i o n w i t h t o w e r s f r o m t o w e r n o . O I t o L I a s s h o w n i n t h e f i g u r e 3 . 1 ) b ) " T r a n s m i s s i o n l i n e s p a n m o d e l s " b e t w e e n c o n s e c u t i v e t o w e r s u n d e r s t u d y ( e x : s p a n b e t w e e n t o w e r n o . L I t o M a s s h o w n i n t h e f i g u r e 3 . 1 ) c ) T r a n s m i s s i o n t o w e r m o d e l d ) T o w e r g r o u n d i n g r e s i s t a n c e m o d e l e ) L i n e i n s u l a t o r s t r i n g w i t h b a c k f l a s h o v e r m o d e l f ) L i n e e n d t e r m i n a t i o n m o d e l g ) S u r g e A r r e s t e r m o d e l h ) L i g h t n i n g s u r g e g e n e r a t o r m o d e l i ) P o w e r f r e q u e n c y p h a s e v o l t a g e g e n e r a t o r m o d e l , - - - G W - 1 G W - 2 C C T t - R Y B C C T 2 - R Y B i n j e c t o ' c a ~ " ' L i n e s e c t i o n U n e s e c t 1 o n ' " S p a n b / w T o w e r s S p a n b / w T o w e r s c f ' '-~~- ~ r e p r e s e n t s - - - # L l & M . r e p r e s e n t s h ---·-·~ t - - # M & R l > - - T o w e r s # 0 1 t o L l ' 1 ~ ' T o w e r s # R l t o , , 1 - - - R ' - - = ~L:-~ 2 0 6 ~ ~ L _ L r - L _ r - ' - - - - t : ' - L ~ ~ L a - ~ ] a L - 0 - ~ ~ ~ ~ 1 6 ' - ~ - · ~ - g 1 U ~ ' " . , ' " . , ~ ~ a : : : : : ~ ~ 0 ( : ' _ : : : : : ~ ~ 0 0 E - > - - " 1 : ' : : : : : > - - : : : : : - ~ - " - - T - + ' - - - - r - ' - - - - = - - - - - G r o u n d i n g l G r o u n d i n g G r o u n d 1 n g / M o d e l M o d e l / M o d e l T o " v v e r # l 1 T o w e r # M T o w e r # R l F i g u r e 3 . 1 - C o m p l e t e t r a n s m i s s i o n l i n e m o d e l p r o p o s e d l o r t h e a n a l y s i s A s s h o w n i n f i g u r e 3 . 1 , t h e c o m p l e t e l i n e m o d e l c o n s i s t s o f t h r e e t o w e r s n a m e d b y t o w e r n u m b e r M , L l a n d R l r e p r e s e n t a t y p i c a l t o w e r a n d t w o a d j a c e n t t o w e r s a t t h e P a g e I 2 1 . - - - - - , c 0 i i l c ·~ > - - c : : J ' - - - - l e f t a n d r i g h t s i d e s o f i t r e s p e c t i v e l y . T h e t w o l i n e s p a n s b e t w e e n t h e s e t h r e e t o w e r s w e r e r e p r e s e n t e d b y t h e " l i n e s p a n m o d e l s " w h e r e a s t h e r e s t o f t h e l i n e s e c t i o n s a t e a c h s i d e u p t o t h e e n d t e r m i n a t i o n s w e r e r e p r e s e n t e d b y " l i n e s e c t i o n m o d e l s " . S i x n u m b e r o f i n t e r c o n n e c t i n g l i n e s w e r e u s e d t o c o n n e c t e a c h m o d u l e s w h i l e r e p r e s e n t i n g t h e g r o u n d a n d p h a s e c o n d u c t o r s f r o m t o p t o b o t t o m s e q u e n c e a s s h o w n i n t h e f i g u r e 3 . 1 . T h e c o r r e s p o n d i n g p h a s e c o n d u c t o r c o n f i g u r a t i o n a t t o w e r s i s s h o w n i n t h e A n n e x 4 . A l l t h r e e t o w e r m o d e l s a r e c o n n e c t e d t o t h e G r o u n d W i r e - I ( G W - I ) a n d G r o u n d W i r e - 2 ( G W - 2 ) w h e r e a s t h e c o n n e c t i o n s t o t h e p h a s e c o n d u c t o r s a r e m a d e t h r o u g h t h e i n s u l a t o r m o d e l s . T h e s u r g e g e n e r a t o r ( C u r r e n t s o u r c e ) i s a l w a y s c o n n e c t e d t o t h e t o p o f t h e m i d d l e t o w e r u n d e r s t u d y . 3 . 3 E l e c t r o m a g n e t i c f a s t f r o n t t r a n s i e n t s u b m o d e l s f o r t r a n s m i s s i o n l i n e e l e m e n t s T h e s u b m o d e l s u s e d f o r t h e i m p l e m e n t a t i o n o f c o m p l e t e E M T P l i n e m o d e l I S d e s c r i b e s i n t h e f o l l o w i n g s e c t i o n s . 3 . 3 . 1 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 r e p r e s e n t i n g T r a n s m i s s i o n l i n e s e c t i o n s a n d s p a n s T h e t r a n s m i s s i o n l i n e s e c t i o n s a s w e l l a s l i n e s p a n s w e r e m o d e l e d b y u s i n g a s t a n d a r d f a s t f r o n t t r a n s i e n t m o d u l e a v a i l a b l e i n t h e P S C A D l i b r a r y c a l l e 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 " c o m p o n e n t w i t h d i f f e r e n t p a r a m e t e r s e t t i n g s t o s u i t b o t h t h e s e l i n e e l e m e n t s . T h i s s t a n d a r d m o d e l w a s i n c o r p o r a t e d i n t o P S C A D i n 1 9 9 9 G'~'-l G W - 2 C C T . l - R C C T . l - Y C C T . l - B _ J I T C C T . 2 - B C C T . 2 - Y C C T . 2 - R T l i n e r L i n e i n t e r f a r e T r a n s m i s s i o n l i n e m o d e l G W - 1 G W - 2 C C T . l - R C C T . l - Y C C T . l - B C C T . 2 - B C C T . 2 - Y C C T . 2 - R . . l L m e m t e r f a r e f i g u r e 3 . 2 - 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 i n P S C A D a n d i t s c o n n e c t i o n a r r a n g e m e n t P a g e I 2 2 b a s e d o n t h e t h e o r y p r o p o s e d i n [ 2 ] . B a s i c a l l y t h e 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 i s d e v e l o p e d b a s e d o n t h e d i s t r i b u t e d R L C t r a v e l l i n g w a v e m o d e l w h i l e m c o r p o r a t i n g t h e f r e q u e n c y d e p e n d e n c y o f a l l l i n e p a r a m e t e r s b y i t s i n t e r n a l t r a n s f o r m a t i o n m a t r i c e s . T h e b a s i c p a r a m e t e r s t h o s e w e r e f e d i n t o t h e m o d e l a r e a t t a c h e d a s A n n e x 3 . T h e f i g u r e 3 . 2 s h o w s a t y p i c a l 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 c o m p o n e n t a v a i l a b l e i n P S C A D w i t h i t s c o n n e c t i o n a r r a n g e m e n t . T w o s t a n d a r d l i n e i n t e r f a c e m o d e u l e s a v a i l a b l e i n t h e P S C A D w e r e a l s o u s e d t o b u i l t u p t h e i n t e r c o n n e c t i o n b e t w e e n t h e P h a s e m o d u l e t o t h e r e s t o f t h e s y s t e m a t b o t h s i d e s . 3 . 3 . 2 L o s s - L e s s C o n s t a n t P a r a m e t e r D i s t r i b u t e d L i n e ( C P D L ) m o d e l r e p r e s e n t i n g t h e t r a n s m i s s i o n t o w e r s T h e t r a n s m i s s i o n t o w e r s w e r e r e p r e s e n t e d b y a t r a n s i e n t m o d e l u s e d i n [ 7 ] , c a l l e d " L o s s - L e s s , C o n s t a n t P a r a m e t e r D i s t r i b u t e d L i n e M o d e l ( C P D L ) " f o r L i g h t n i n g S u r g e A n a l y s i s o f t r a n s m i s s i o n T o w e r s . T h e m o d e l w a s o r i g i n a l l y p r o p o s e d i n [ 8 ] . A t r a n s m i s s i o n t o w e r i s r e p r e s e n t e d b y a s e t o f s e r i e s s u r g e i m p e d a n c e s e a c h i n d i v i d u a l l y r e p r e s e n t s t h e t o w e r s e c t i o n b e t w e e n t h e c r o s s a r m s a s s h o w n i n t h e f i g u r e 3 . 3 . T h e t r a n s m i s s i o n t o w e r i s a s s u m e d a s a l o s s l e s s v e r t i c a l t r a n s m i s s i o n l i n e i n t h i s s t u d y . T h e s u r g e i m p e d a n c e o f a t o w e r i s c a l c u l a t e d b y t h e f o r m u l a g i v e n i n [ 7 , F i g u r e 3 . 3 - C o n s t a n t P a r a m e t e r D i s t r i b u t e d L i n e ( C P D L ) M o d e l f o r T o w e r s P a g e I 2 3 9 ] f o r " w a i s t e d t o w e r s h a p e ' ' a s s h o w n i n f i g u r e 3 . 3 a n d r e c o m m e n d e d b y I E E E a n d C I G R E [ 1 0 ] . T h e f o r m u l a i s g i v e n i n t h e e q u a t i o n 3 - 1 b e l o w . T h e s u r g e i m p e d a n c e s r e p r e s e n t i n g e a c h t o w e r s e c t i o n s b e t w e e n c r o s s a r m s a s w e l l a s b o t t o m c r o s s a r m t o g r o u n d a r e a s s u m e d t o b e e q u i v a l e n t t o f o r m t h e C P D L t o w e r m o d e l i n t h i s s t u d y . T h e c r o s s a r m s a r e n o t r e p r e s e n t e d i n t h e t o w e r m o d e l . zl~waist= 6 Q . } n [ C O t { 0 . 5 . t a n - 1 ( R / h ) } J ( 3 - 1 ) W h e r e , R = ( r 1 h 2 + r 2 h + r 3 h 1 ) / h a n d h = h 1 + h 2 T h e f r e q u e n c y d e p e n d e n t e f f e c t s h a v e t o b e c o n s i d e r e d w h e n t h e s u r g e w a v e s t r a v e l l i n g a l o n g t h e t o w e r s . T h e r e f o r e p a r a l l e l R - L c i r c u i t s w e r e i n t r o d u c e d f o r e a c h b o d y s e c t i o n s t o r e p r e s e n t t r a v e l l i n g w a v e a t t e n u a t i o n a n d d i s t o r t i o n a s s h o w n i n t h e f i g u r e 3 . 3 . T h e p r o p a g a t i o n w a v e s p e e d i n t h e t o w e r i s a s s u m e d t o b e e q u a l t o t h e S p e e d o f l i g h t . T h e t o w e r t r a v e l l i n g t i m e ( T 1 ) i s g i v e n b y t h e E q u a t i o n 3 - 2 . h T t = C W h e r e , h = T o w e r h e i g h t a n d C = S p e e d o f l i g h t ( 3 0 0 m / J l s ) ( 3 - 2 ) T h e R a n d L v a l u e s a r e d e t e r m i n e d a s a f u n c t i o n o f S u r g e I m p e d a n c e , t r a v e l t i m e ( - r 1 ) , d i s t a n c e s b e t w e e n c r o s s a r m s ( x i . x 2 . X 3 . a n d x 4 ) a n d a t t e n u a t i o n f a c t o r ( a = 0 . 8 9 [ 7 ] ) a s s h o w n i n t h e E q u a t i o n s ( 3 - 3 ) a n d ( 3 - 4 ) r e s p e c t i v e l y . x · 1 R i = . . . . ! . . 2 . Z i . l n [ - ] h a ( 3 - 3 ) L i = 2 . T t . R i ( 3 - 4 ) W h e r e i = 1 , 2 , 3 , 4 T h e c a l c u l a t e d p a r a m e t e r s f o r a t y p i c a l t o w e r m o d e l a r e s h o w n i n t h e t a b l e 3 . 1 . # P a r a m e t e r S y m b o l V a l u e U n i t T o w e r s u r g e i m p e d a n c e Z T 1 2 5 . 7 n T r a v e l l i n g t i m e ' t t 0 . 1 5 J l S D a m p i n g r e s i s t a n c e s R 1 1 . 9 6 n R 2 4 . 0 5 n R 3 4 . 1 0 n R 4 1 9 . 2 0 n D a m p i n g i n d u c t a n c e s L 1 0 . 5 8 6 J l H L 2 1 . 2 0 7 J l H L 3 1 . 2 2 3 J l H P a g e I 2 4 I L 4 I 5 . 7 2 3 I ) l H I ' T o w e r d a t a u s e d f o r c a l c u l a t i o n : i I I I T o w e r h e i g h t h 4 5 m E q u i v a l e n t r a d i u s ( S e e f i g u r e 3 . 3 ) r 1 , r 2 , r 3 1 . 5 5 , 2 . 8 5 , 1 1 . 9 1 m I C r o s s a r m d i s t a n c e s ( S e e f i g u r e 1 3 . 3 ) X ] , X 2 , X 3 , X 4 3 . 0 0 , 6 . 1 8 , 6 . 2 6 , 2 9 . 3 m T a b l e 3 . 1 ~Calculated p a r a m e t e r s f o r a t y p i c a l t o w e r m o d e l 3 . 3 . 3 T o w e r g r o u n d i n g r e s i s t a n c e m o d e l T h e t o w e r g r o u n d i n g r e s i s t a n c e i s n o t a c o n s t a n t f o r a f a s t f r o n t s u r g e s a n d i t v a r i e s a s p e r t h e s u r g e c u r r e n t m a g n i t u d e . T h i s i s d u e t o t h e s o i l i o n i z a t i o n a n d b r e a k d o w n c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e s o i l s u r r o u n d i n g t h e t o w e r g r o u n d i n g e l e c t r o d e s . A t c e r t a i n s u r g e c u r r e n t m a g n i t u d e s c r e a t e v o l t a g e g r a d i e n t s s u f f i c i e n t t o b r e a k d o w n t h e s o i l a n d f o r m s c o n d u c t i v e p a t h s t o f l o w t h e c u r r e n t , u l t i m a t e l y r e d u c e s t h e g r o u n d i n g r e s i s t a n c e . T h e r e f o r e t h e i m p u l s e g r o u n d i n g r e s i s t a n c e i s l e s s t h a n t h e g r o u n d i n g r e s i s t a n c e v a l u e s m e a s u r e d 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 s t a t e s . T h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n i m p u l s e a n d n o n - i m p u l s e g r o u n d i n g r e s i s t a n c e s c a n b e e x p r e s s e d a s i n E q u a t i o n 3 - 5 . R r = Rg/~(1 + { l l l g } ) ( 3 - 5 ) W h e r e , R 1 i s t h e i m p u l s e t o w e r g r o u n d i n g r e s i s t a n c e ( . Q ) R g i s t h e t o w e r g r o u n d i n g 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 ( . Q ) I i s t h e s u r g e c u r r e n t i n t o g r o u n d ( k A ) l g i s t h e 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 ) a s g i v e n i n t h e E q u a t i o n 3 - 6 1 f g = 2 r r W h e r e , E o P o R 2 g P o i s t h e s o i l r e s i s t i v i t y ( . O m ) E o i s t h e 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 ) ( 3 - 6 ) T h e v a r i a t i o n o f i m p u l s e g r o u n d i n g r e s i s t a n c e ( R j ) o f t o w e r s 3 1 t o 5 2 a n d 8 3 t o 9 7 f o r s u r g e c u r r e n t s f r o m 3 0 k A t o 2 0 0 k A w i t h I O k A s t e p w a s c a l c u l a t e d a n d g r a p h e d a s s h o w n i n t h e A n n e x 6 . I t w a s o b s e r v e d t h a t t h e v a r i a t i o n i s r a g i n g f r o m m a x i m u m 1 7 . 2 . 0 t o m i n i m u m 1 . 6 . 0 f o r t h e s u r g e c u r r e n t s f r o m 3 0 k A t o 2 0 0 k A . P a g e I 2 5 T h e r e f o r e t h e g r o u n d i n g r e s i s t a n c e v a l u e s c a n e x i s t h i g h e r t h a n t h e C E B s p e c i f i e d v a l u e ( w h i c h i s t h e I O Q ) e v e n w i t h t h e s o i l i o n i z a t i o n e f f e c t . T h e r e f o r e t h e g r o u n d i n g r e s i s t a n c e o f a t o w e r i s r e p r e s e n t e d a s a v a r i a b l e r e s i s t a n c e i n t h e E M T P ( P S C A D ) m o d e l w h i c h c h a n g e s i t s v a l u e f r o m I O Q t o 1 0 0 0 w i t h 1 0 0 s t e p s . 3 . 3 . 4 L i n e i n s u l a t o r s a n d b a c k f l a s h o v e r m o d e l T h e l i n e i n s u l a t o r s t r i n g s b e t w e e n t o w e r a n d p h a s e c o n d u c t o r s a r e r e p r e s e n t e d a s a c a p a c i t o r i n t h e E M T P ( P S C A D ) m o d e l . E a c h h i g h v o l t a g e g l a s s i n s u l a t o r d i s c h a s a c a p a c i t a n c e i n t h e r a n g e o f 3 0 p F t o 4 0 p F . A n e q u i v a l e n t c a p a c i t a n c e o f 2 . 8 p F i s u s e d f o r a n i n s u l a t o r s t r i n g h a v i n g 1 7 n o s . o f i n s u l a t o r d i s c s . T h e t r a n s i e n t - v o l t a g e w i t h s t a n d c a p a b i l i t y o f a n i n s u l a t o r s t r i n g w i t h a n a r c h o r n g a p i s v a r y w i t h t h e t i m e o f w h i c h i t i s u n d e r v o l t a g e s t r e s s . A n i n s u l a t o r s t r i n g c a n w i t h s t a n d v e r y h i g h t r a n s i e n t - v o l t a g e s f o r s h o r t e r t i m e d u r a t i o n w h e r e a s i t m a y b r e a k d o w n b y a c o m p a r a t i v e l y l o w t r a n s i e n t - v o l t a g e i f a p p l i e d f o r a l o n g e r d u r a t i o n . T h i s c h a r a c t e r i s t i c o f a n i n s u l a t o r s t r i n g i s k n o w n a s t h e v o l t - t i m e c h a r a c t e r i s t i c o r i n a n o t h e r t e r m c a l l e d f l a s h o v e r c h a r a c t e r i s t i c s . T h i s c h a r a c t e r i s t i c v a r i a t i o n o f f l a s h o v e r v o l t a g e o f a n i n s u l a t o r s t r i n g c a n b e m o d e l e d b y a s i m p l i f i e d e x p r e s s i o n g i v e n i n t h e E q u a t i o n 3 - 7 . V r o = K + _ § _ _ 1 t 0 . 7 5 W h e r e , V r o i s t h e f l a s h o v e r v o l t a g e ( k V ) K l = 4 0 0 X A g K 2 = 7 1 0 X A g A g i s t h e A r c - h o r n g a p l e n g t h ( m ) t i s t h e e l a p s e d t i m e a f t e r l i g h t n i n g s t r o k e ( ) l s ) ( 3 - 7 ) F l a s h o v e r v o l t a g e - t i m e c h a r a c t e r i s t i c o f 2 2 0 k V l i n e i n s u l a t o r s t r i n g h a v i n g 2 m A r c - h o r n g a p i s s h o w n i n t h e F i g u r e 3 . 4 . T h e b a c k f l a s h o v e r e v e n t o c c u r s w h e n t h e t r a n s i e n t v o l t a g e 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 i s g r e a t e r t h a n i t s w i t h s t a n d i n g v o l t a g e ( F l a s h o v e r v o l t a g e - V r 0 ) . O n c e \ P a g e I 2 6 \ / 1 / t h e b a c k f l a s h o v e r m e c h a n i s m i s t r i g g e r e d 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 o r s t r i n g w i l l b e c o l l a p s e d t o z e r o b y c r e a t i n g c o n d u c t i v e p a t h t h r o u g h t h e a i r i n s u l a t i o n . T h e r e f o r e b a c k f l a s h o v e r e v e n t i s m o d e l e d b y a C i r c u i t B r e a k e r u s e d a s a s w i t c h , p l a c e d p a r a l l e l E C l J O s o o n ~ 4 0 J O . " " ! l ] 3 0 : ) 1 ) ~ - 5 i ~ 2 0 : : ' 0 1 0 0 0 I n s u l a t o r s t r i n g f l a s h o v e r v o l t a g e ( V f o ) v a r i a t i o n ( w h e n l = 2 m ) V f o = 4 0 0 x l + 7 1 0 x l / t " 0 . 7 5 V J h e r e , V t o - F l a s h o v e r v o l t a g e [ k V ) L - S t n n g / A r c h o r n g a p l e n g t h : m J t w E l a p s e d t ! m e a f t e r l 1 g h t n 1 n g s t r o k e [~S] 0 ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ 0 ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ 0 ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ 0 ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ 0 ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ 0 ~ ~ ~ ~ ' ~ ~ ~ ~ ~ - N ~ ~ N ~ N ~ N ~ ~ ~ ~ ~ N ~ ~ N ~ ~ ~ ~ ~ ~ q ~ ~ ~ ~ ~ ~ X ~ - ~ ~ ~ 0 0 ~ N M ~ N ~ ~ M ~ ~ M 0 0 - ~ ~ ~ ~ 0 0 ~ - ~ - N N ~ N ~ ~ ~ M ~ ~ ~ ~ E l a p s e d t i m e [ u S j - - V f o F i g u r e 3 . 4 - F l a s h o v e r v o l t a g e - t i m e c h a r a c t e r i s t i c o f 2 2 0 k V l i n e i n s u l a t i o n w i t h 2 m A r c - h o r n g a p t o t h e e q u i v a l e n t c a p a c i t a n c e o f i n s u l a t o r s t r i n g . T h e c l o s e - o p e r a t i o n o f t h e C i r c u i t B r e a k e r ( i n t h i s c a s e c l o s i n g t h e s w i t c h ) i s c o n t r o l l e d b y a n e x t e r n a l c o n t r o l m o d u l e a s s h o w n i n t h e F i g u r e 3 . 5 . T h e e x t e r n a l c o n t r o l m o d u l e c o m p a r e s t h e v o l t a g e 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 w i t h i t s v o l t - t i m e c h a r a c t e r i s t i c s . I f t h e d e v e l o p e d v o l t a g e p r o f i l e c r o s s e s t h e I 1 1 , 1 I I V I + A g ( a r c h o r n g a p l e n g t h ) ¢ D ; c n < - - - - - - - B a c k f l a s h o v e r c o n t r o l m o d u l e F i g u r e 3 . 5 - I n s u l a t o r s t r i n g a n d b a c k t 1 a s h o v e r m o d e l f l a s h o v e r v o l t - t i m e c h a r a c t e r i s t i c s o f i n s u l a t o r s , t h e c o n t r o l m o d u l e c l o s e s t h e c i r c u i t b r e a k e r t o c r e a t e a b a c k f l a s h o v e r e v e n t . T h e b a c k f l a s h o v e r c o n t r o l m o d u l e i s d e v e l o p e d b y u s i n g t h e s t a n d a r d c o n t r o l c o m p o n e n t s a v a i l a b l e i n t h e P S C A D . P a g e I 2 7 T h e l i n e i n s u l a t o r s t r i n g v o l t a g e a n d l i n e v o l t a g e a r e u s e d a s t h e b a s i c i n p u t p a r a m e t e r s t o g e n e r a t e t h e e l a p s e d t i m e a s s h o w n i n t h e F i g u r e 3 . 6 . G e n e r a t e d e l a p s e d E l a p s e d t i m e g e n e r a t o r E l a p s e d T 1 1 n e A , ( A r c - h o r n ,------~~---.., C i r c u i t B r e a k e r c o n t r o l s i g n a l g a p l e n g t h ) ) g e n e r a t o r V o l t a g e c o m p a r a t o r F i g u r e 3 . 6 - B a s i c l o g i c d i a g r a m f o r b a c k f l a s h o v e r c o n t r o l m o d u l e t i m e a n d A r c - h o r n g a p l e n g t h a r e t a k e n a s i n p u t s t o F l a s h o v e r V - t c u r v e g e n e r a t o r m o d u l e t o p r o d u c e t h e f l a s h o v e r v o l t a g e . F i n a l l y t h e v o l t a g e c o m p a r a t o r m o d u l e c o m p a r e s t h e i n s u l a t o r s t r i n g v o l t a g e w i t h g e n e r a t e d f l a s h o v e r v o l t a g e a n d i s s u e s t h e C i r c u i t B r e a k e r c l o s e s i g n a l i f a b a c k f l a s h o v e r v o l t a g e i s p r e s e n t . 3 . 3 . 5 L i n e t e r m i n a t i o n m o d e l T h e t w o e n d s o f t r a n s m i s s i o n l i n e m o d e l w e r e g r o u n d e d t h r o u g h e q u i v a l e n t s u r g e i m p e d a n c e s o f t h e l i n e a n d g r o u n d c o n d u c t o r s t o a v o i d e n d r e f l e c t i o n s . A n e q u i v a l e n t L i n e m a t c h i n g i m p e d a n c e s , - - - - - - - - - - - - - - G W - 1 , - - - - - - - - - - - - - - - - G W - 2 I C C T - 1 , R P H A S E , - - - - - - - - - - - - C C T - 1 , Y P H A S E . - - - - - - - - C C T - 1 , B P H A S E l ~ C C T - 2 , R P H A S E C C T - 2 , Y P H A S E _ ' ~ [ r C C T - 2 , B P H A S E < < > / - / _ _ . - . . ? ? _ _ > / > ~> " - > " - : > ' > > ~ < < --~ < " < : : . . _ , . ·~ ~~ rr~r~r~rrr~J! F i g u r e 3 . 7 - G r o u n d i n g a r r a n g e m e n t o f a t y p i c a l e n d t e r m i n a t i o n m o d e l i m p e d a n c e o f 3 5 4 0 f o r p h a s e c o n d u c t o r s a n d 4 2 6 0 f o r g r o u n d c o n d u c t o r s w e r e u s e d a t b o t h e n d s [ 4 ] . T h e g r o u n d i n g a r r a n g e m e n t o f a t y p i c a l e n d t e r m i n a t i o n m o d e l i s s h o w n i n t h e F i g u r e 3 . 7 . P a g e I 2 8 3 . 3 . 6 S u r g e a r r e s t e r m o d e l A B B m a d e , g a p l e s s t y p e , M e t a l O x i d e T r a n s m i s s i o n L i n e A r r e s t e r ( T L A ) i s u s e d i n t h i s s t u d y a s a s o l u t i o n f o r t h e b a c k f l a s h o v e r s a n d i t s r e l a t e d i s s u e s . T h e s e l e c t e d T L A i s r e p r e s e n t e d b y a f a s t f r o n t s u r g e a r r e s t e r m o d e l d e s c r i b e d i n [ 1 1 ] w h i c h i s a m o d i f i e d v e r s i o n o f t h e m o d e l p r o p o s e d i n [ 1 2 ] . T h e a r r e s t e r m o d e l c o n s i s t s o f t w o n o n l i n e a r r e s i s t o r s d e s i g n a t e d a s A o a n d A 1 , r e p r e s e n t i n g t h e V - I n o n l i n e a r c h a r a c t e r i s t i c o f t h e a r r e s t e r a s s h o w n i n t h e F i g u r e 3 . 8 . , _ , [ ' y ) • . - . , f " · . _ _ _ r - - _ _ . , . . , . _ , _ _ , L u c F i g u r e 3 . 8 - F r e q u e n c y d e p e n d e n t s u r g e a r r e s t e r m o d e l T w o n o n l i n e a r r e s i s t o r s a r e s e p a r a t e d b y a n R - L f i l t e r . F o r s l o w f r o n t s u r g e s ( e . g . s w i t c h i n g s u r g e s ) , t h e R - L f i l t e r h a s v e r y l o w i m p e d a n c e a n d t h e t w o n o n l i n e a r r e s i s t a n c e s a c t s a s p a r a l l e l . F o r f a s t f r o n t s u r g e s , ( e . g . l i g h t n i n g s u r g e s ) t h e i m p e d a n c e o f t h e R - L f i l t e r b e c o m e s s i g n i f i c a n t a n d a s a r e s u l t m o r e c u r r e n t f l o w s i n t h e n o n l i n e a r r e s i s t o r A o t h a n i n A 1 • A s s h o w n i n t h e F i g u r e 3 . 9 t h e A o h a s a h i g h e r v o l t a g e c h a r a c t e r i s t i c t h a n A 1 f o r a g i v e n s u r g e c u r r e n t . T h e r e f o r e h i g h e r d i s c h a r g e v o l t a g e s a r e d e v e l o p e d a c r o s s a r r e s t e r m o d e l f o r f a s t f r o n t s u r g e s . S i n c e m e t a l o x i d e a r r e s t e r s h a v e a h i g h e r d i s c h a r g e v o l t a g e f o r f a s t f r o n t s u r g e s , t h e m o d e l m a t c h e s t h e o v e r a l l b e h a v i o r o f a m e t a l o x i d e a r r e s t e r [ 1 2 ] . T h e i n d u c t a n c e L a r e p r e s e n t s t h e i n d u c t a n c e f r o m t h e m a g n e t i c f i e l d s i n t h e i m m e d i a t e v i c i n i t y o f t h e a r r e s t e r . T h e c a p a c i t a n c e C r e p r e s e n t s t h e t e r m i n a l - t o - t e r m i n a l c a p a c i t a n c e o f t h e a r r e s t e r [ 1 2 ] . T h e R L C e l e m e n t s o f t h e a r r e s t e r m o d e l a r e i n i t i a l l y d e t e r m i n e d b y t h e f o l l o w i n g f o r m u l a s g i v e n i n [ 1 2 ] . L 1 = 1 5 d / n ( ! l H ) R 1 = 6 S d / n ( . Q ) ( 3 - 8 ) ( 3 - 9 ) P a g e I 2 9 L o = 0 . 2 d / n ( ! l H ) ( 3 - 1 0 ) C = I O O n / d ( p F ) ( 3 - 1 1 ) W h e r e , d = t h e e s t i m a t e d h e i g h t o f t h e a r r e s t e r i n m e t e r s ( u s e s t h e o v e r a l l d i m e n s i o n f r o m t h e c a t a l o g d a t a o f s e l e c t e d a r r e s t e r ) n = n u m b e r o f p a r a l l e l c o l u m n s o f m e t a l o x i d e i n t h e a r r e s t e r : 0 ; : ( ) i J _ 9 : ; j 1 s u I I > c : L 1 ( i ( l ( ! . 2 ~ " } i 1 - H l 1 2 ( J l U l O U ; \ I / \ I 1 1 \ C u r r e n t ( 1 : 1 , [ i \ j l U I < l U U I \ f i g u r e 3 . 9 - V - I R e l a t i o n s h i p f o r n o n l i n e a r r e s i s t o r s A 0 a n d A 1 [ 1 2 ] T h e n o n l i n e a r r e s i s t o r s A o a n d A 1 c a n b e m o d e l e d i n t h e E M T P a s a p i e c e w i s e l i n e a r V - I c u r v e w i t h c h a r a c t e r i s t i c s d e f i n e d p o i n t b y p o i n t [ 1 2 ] . T h e i n i t i a l , i n d i v i d u a l n o n l i n e a r c h a r a c t e r i s t i c s o f A 0 a n d A 1 a r e d e t e r m i n e d b a s e d o n t h e g r a p h p r o d u c e d i n t h e F i g u r e 3 . 9 . E a c h o f t h e V - I p o i n t s f o r t h e n o n l i n e a r r e s i s t o r s i s f o u n d b y s e l e c t i n g a c u r r e n t p o i n t a n d t h e n r e a d i n g t h e r e l a t i v e I R i n p u f r o m t h e g r a p h . T h i s v a l u e i s t h e n m u l t i p l i e d b y ( V 1 0 / 1 . 6 ) t o d e t e r m i n e t h e m o d e l d i s c h a r g e v o l t a g e i n k V f o r t h e a s s o c i a t e d c u r r e n t . ( V 1 0 i s t h e d i s c h a r g e v o l t a g e f o r a 1 O k A , 8 x 2 0 j l s c u r r e n t i n k V ) T h i s s c a l i n g f r o m p u t o a c t u a l v o l t a g e i s d o n e b y t h e a p p l i c a t i o n o f t h e f o l l o w i n g f o r m u l a t o t h e " R e l a t i v e I R " p u v o l t a g e f o u n d f o r t h a t c u r r e n t a s g i v e n i n F i g u r e 3 . 9 [ 1 2 ] . F o r A o t h e D i s c h a r g e k V = [ R e l a t i v e I R i n p u f o r A 0 ( i ) ] x [ V 1 0 / 1 . 6 ] ( 3 - 1 2 ) L i k e w i s e f o r A 1 , t h e D i s c h a r g e k V = [ R e l a t i v e I R i n p u f o r A 1 ( i ) ] x [ V 1 0 / l . 6 ] ( 3 - 1 3 ) P a g e I 3 0 3 . 3 . 7 L i g h t n i n g s t r o k e c u r r e n t g e n e r a t o r m o d e l A l i g h t n i n g s t r i k e g e n e r a l l y c o n s i s t s o f s e v e r a l r e t u r n s t r o k e s , w h e r e 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 l i g h t n i n g s t r i k e i s r o u g h l y a b o u t t h r e e . A c c o r d i n g t o t h e s t a t i s t i c s o f r e t u r n s t r o k e s p e a k c u r r e n t d i s t r i b u t i o n , o n e c a n a s s u m e t h a t t h e f i r s t r e t u r n s t r o k e i n a l i g h t i n g s t r i k e i s a t l e a s t s e v e r e a s s u b s e q u e n t s t r o k e s . T h e r e f o r e t h e l a t t e r c a n b e i g n o r e d [ 6 ] . T h e r e f o r i n l i g h t n i n g t r a n s i e n t s t u d i e s , i t i s c o n s i d e r e d o n l y t h e f i r s t r e t u r n s t r o k e . T h e c h a r a c t e r i s t i c s o f r e a l l i g h t n i n g c u r r e n t w a v e s h a p e s a r e d e t e r m i n e b y i t s p o l a r i t y , m a x i m u m i n s t a n t a n e o u s v a l u e , s t e e p n e s s a n d e q u i v a l e n t f r o n t / t a i l t i m e s . T h e m a x i m u m i n s t a n t a n e o u s v a l u e ( p e a k c u r r e n t ) i s s t a t i s t i c a l l y r e l a t e d t o t h e s t e e p n e s s o r t i m e t o c r e s t o f t h e c u r r e n t w a v e f o r m . T h e s t e e p n e s s i n c r e a s e s a s t h e p e a k c u r r e n t m c r e a s e s . T h e l i g h t n i n g s t r o k e i s m o d e l e d b y a c u r r e n t s o u r c e w h i c h p r o d u c e s t h e s t a n d a r d d o u b l e e x p o n e n t i a l ( s e e E q u a t i o n 3 - 1 4 ) c u r r e n t w a v e f o r m 8 x 2 0 ) . l s o f p o s i t i v e p o l a r i t y w i t h v a r i a b l e p e a k c u r r e n t a s s h o w n i n t h e f i g u r e 3 . 1 0 . I n a d d i t i o n t o t h e 8 x 2 0 ) . l s c u r r e n t w a v e f o r m ; s t a n d a r d 1 . 2 x 5 0 ) . l s v o l t a g e w a v e f o r m w a s a l s o u s e d s e p a r a t e l y f o r t h e s i m u l a t i o n s . ( S e e f i g u r e 3 . 1 0 ) T h e s a m e d o u b l e e x p o n e n t i a l w a v e f o r m w a s u s e d w i t h r e l e v a n t a a n d p v a l u e s t o g e n e r a t e t h e 1 . 2 x 5 0 ) . l s l i g h t n i n g s u r g e w a v e f o r m . P a g e I 3 1 u 1 . k . · - - - . . . _ _ _ _ . . . . . . . . . . . . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - ---------------------~:~ t r . S t a n d a r d 1 . 2 x 5 0 f - 1 S v o l t a g e w a v e f o r m Curren~ 1 0 0 % I , . . 9 0 " l Q S O % . . , \ 1 6 % 1 7 ( I I \ " - 6 % I " T i m e 2 0 · t , S t a n d a r d 8 x 2 0 f . ! S c u r r e n t w a v e f o r m U = f > e a k m a a m t u a e ! I I b 1 1 = W a v e f r o n t t i m e ( T i m e t o r e a c h c u r r e n t m a g n i t u d e f r o m / O % U m t o 9 0 % U m ) t h = W a v e t a i l t i m e ( t i m e t o d r o p m a g n i t u d e f r o m p e a k t o 5 0 % U , ) F i g u r e 3 . 1 0 - S t a n d a r d w a v e f o r m s f o r l i g h t n i n g s u r g e v o l t a g e a n d c u r r e n t l ( t ) = l a ( e - a t _ e - f i t ) W h e r e , l ( t ) = l i g h t n i n g c u r r e n t 1 0 = P e a k c u r r e n t m a g n i t u d e a = 8 . 6 6 x 1 0 4 s . 1 f o r 8 x 2 0 f l S w a v e f o r m [ I I ] ~ = 1 . 7 3 2 x i 0 5 s - 1 f o r 8 x 2 0 ) . ! S w a v e f o r m [ I I ] a = 1 . 4 2 6 x I 0 4 s - 1 f o r 1 . 2 x 5 0 f . ! S w a v e f o r m [ 3 ] ~ = 4 . 8 7 7 x i 0 6 s - 1 f o r 1 . 2 x 5 0 ) . ! S w a v e f o r m [ 3 ] t = t i m e ( s ) ( 3 - 1 4 ) \ , ' . P a g e I 3 2 3 . 3 . 8 P o w e r f r e q u e n c y p h a s e v o l t a g e g e n e r a t o r m o d e l I n s t a n t a n e o u s p o w e r f r e q u e n c y v o l t a g e s o f e a c h p h a s e w e r e g e n e r a t e d b y u s i n g t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n s . V a = V p s i n ( f } ) V b = V P s i n ( f J - 1 2 0 ) V c = V p s i n ( f J + 1 2 0 ) W h e r e , V a , V b a n d V c a r e t h e i n s t a n t a n e o u s p h a s e v o l t a g e s i n k V e = t h e p h a s e a n g l e i n r a d i a n s V p = 2 2 0 X , ; ( 2 / 3 ) = 1 7 9 . 6 3 k V W h e r e , V p = p e a k v a l u e o f p h a s e v o l t a g e i n k V ( 3 - 1 5 ) ( 3 - 1 6 ) ( 3 - 1 7 ) ( 3 - 1 8 ) G e n e r a t e d p o w e r f r e q u e n c y p h a s e v o l t a g e s a r e t a k e n a s i n p u t d a t a t o c a l c u l a t e t h e a c t u a l i n s u l a t o r s t r i n g v o l t a g e g i v e n t o t h e v o l t a g e c o m p a r a t o r a s s h o w n i n t h e F i g u r e 3 . 6 . P a g e I 3 3 3 . 4 S e l e c t i o n o f a T r a n s m i s s i o n L i n e A r r e s t e r ( T L A ) S e l e c t i o n o f a n A B B t r a n s m i s s i o n l i n e a r r e s t e r i s c a r r i e d o u t i n t w o m a j o r s t e p s a s f o l l o w s [ 1 3 ] . S t e p I : M a t c h i n g t h e e l e c t r i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e a r r e s t e r s t o t h e s y s t e m ' s e l e c t r i c a l d e m a n d s S t e p 2 : M a t c h i n g t h e m e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e a r r e s t e r s t o t h e s y s t e m ' s m e c h a n i c a l a n d e n v i r o n m e n t a l r e q u i r e m e n t s V O L T A G E r . n 0 0 I n s u l a t i o n r o t e c t i v e 0 : : I I L e v e l s P L e v e l s ~ ~ U w t ' U w s U p A J . , . i j ~ T O V o . - : C a p a b i l i t y ~ n : ~ T O V U r f f j w a : t J U c ~ G 2 V o c a b u l a r \ / U r n I M a . x i m u m c ; y s t e m v o l t : ' t r J e k I E z u t J · r f a u l t f a c t o r U c I Cmtinucu~ c p e r a t i n g \ 1 0 i t G r ; ) 2 U~q I S w i t c l l i n g i m p u l : : ; e p r o t e d i · · : e l e c e l U , I R a t e - : 1 · · : c l t D Q i ? U p : I L i g h t n i n g i m p u l s e p r o t e c t i v e l e · t a 1 0 < / I T < ? r T r t x n r y r w e r · : • J i t a , J e u ' l i , I . S w i t c h i n g t r n p u l s e ' t A t h s t a n d l e v e l T I T O V c t r 8 f l r J t l l f a c t o r u , , 1 I L i g h t n i n g i m p u b 9 ' N i t h s t : ' U I C J l e v e l f i g u r e 3 . 1 1 - S y s t e m a n d A r r e s t e r p a r a m e t e r m a t c h i n g c o n f i g u r a t i o n [ 1 3 ] P a g e I 3 4 ( S ' j s t e m V o l t a g e ( U m ) R a t e d V o l t a g e S e l e c t Rat~d S y s t e m E a r t h i n g ( U r O ) V o l t a g e = m a x 1 m u m ( S e e T a b l e J ) ( U 1 0 . U 1 1 . . . . U 1 n ) E o c t l r F o c ' l t D w o t ; o o r R a t e d V o l t a g e ~I \ I t O t h e r T O V ( U I 1 , . . . . m = ( A m p l i t u d e & U t o v 1 / T 1 . . . U t o v n / T n ) d L i r a t i o n ) [ T O V c u r v e s ] . . L i n e d i s c h a r g e c l a s s L i n e / A p p a r a t u s l _ _ : J a n d a r r e s t e r t y p e E n e r g y I I ( S e e T a b l e 2 ! ~--~ I . A r r e s t e r p r o t e c t 1 o n l e v e l s U p l ~nd. U p s a t I I C h o o s e n e x t h i g h e r ~ c o - o r d i n a t i o n < d i s c h a r g e c l a s s c u r r e n t s ( S e e T a b l e 3 ) N O E q u i p m e n t e x t e r n a l C a l c u l a t e p r o t e c t i o n m a r g i n s A c c e p t a b l e w i t h s t a n d v a l u e s ( ( U w i / U p l ) - 1 ) x 1 0 0 m a r g i n s ? ( U w l . U w s ) ( ( U w s ! U p s ) - 1 ) x 1 0 0 Y E S J , E l e c t r i c a l s e l e c t i o n c o m p l e t e F i g u r e 3 . 1 2 - S e l e c t i o n p r o c e d u r e o f e l e c t r i c a l p a r a m e t e r s f o r A B B s u r g e a r r e s t e r s [ 1 3 ] I n t h i s s t u d y , i n i t i a l l y o n l y t h e e l e c t r i c a l p a r a m e t e r s o f t h e a r r e s t e r a r e n e c e s s a r y f o r t h e p u r p o s e o f m o d e l i n g i t i n t h e P S C A D . T h e r e f o r e o n l y t h e e l e c t r i c a l p a r a m e t e r s w e r e s e l e c t e d a n d m a t c h w i t h t h e s y s t e m p a r a m e t e r s a t t h i s s t a g e . F i g u r e 3 . 1 1 s h o w s t h e a r r e s t e r a n d s y s t e m e l e c t r i c a l p a r a m e t e r m a t c h i n g c o n f i g u r a t i o n a s s p e c i f i e d i n [ 1 3 ] . S t e p b y s t e p s e l e c t i o n o f a n A B B s u r g e a r r e s t e r a s p e r t h e s e l e c t i o n p r o c e d u r e s h o w n i n t h e F i g u r e 3 . 1 2 i s g i v e n i n t h e A n n e x 7 . S e l e c t i o n a n d m a t c h i n g o f t h e m e c h a n i c a l p a r a m e t e r s h a s t o b e d o n e t o c o m p l e t e t h e o v e r a l l s e l e c t i o n p r o c e d u r e a n d t o f u l f i l l t h e t y p i c a l i n s t a l l a t i o n r e q u i r e m e n t s . P a g e I 3 5 C h a p t e r - 4 A p p l i c a t i o n o f t h e m e t h o d o l o g y 4 . 1 I n t r o d u c t i o n T h i s c h a p t e r d e s c r i b e s t h e w a y o f i m p l e m e n t a t i o n o f t r a n s i e n t m o d e l i n g c o n c e p t s w h i c h w e r e d e s c r i b e d i n t h e p r e v i o u s c h a p t e r . T h e i m p l e m e n t a t i o n o f t h e t r a n s i e n t m o d e l c o n c e p t s w e r e c a r r i e d o u t i n t h e P S C A D s o f t w a r e a s a d i g i t a l m o d e l . F u r t h e r t h i s c h a p t e r d e s c r i b e s t h e w a y o f s i m u l a t i o n o f i m p l e m e n t e d t r a n s i e n t m o d e l w i t h t h e a i d o f i n b u i l t " ' M u l t i p l e R u n " c o m p o n e n t w h i c h p r o v i d e s e f f e c t i v e m e a n s o f s i m u l a t i o n . 4 . 2 P o w e r S y s t e m s C A D ( P S C A D ) m o d e l i n g t o o l P S C A D ( P o w e r S y s t e m s C A D ) i s a w e l l - d e v e l o p e d s o f t w a r e p r o g r a m w h i c h a c t a s a G r a p h i c a l U s e r I n t e r p h a s e ( G U I ) t o t h e w o r l d r e n o w n e d e l e c t r o m a g n e t i c t r a n s i e n t s o l u t i o n e n g i n e c a l l e d E M T D C ( E M T D C s t a n d s f o r E l e c t r o m a g n e t i c T r a n s i e n t s i n c l u d i n g D C ) . P S C A D f a c i l i t a t e s t h e u s e r s t o c r e a t e m o d e l s o r c i r c u i t s , s i m u l a t e t h e m a n d t o a n a l y z e t h e r e s u l t s i n a c o m p l e t e l y i n t e g r a t e d g r a p h i c a l e n v i r o n m e n t . D r a g a n d d r o p t y p e s o p h i s t i c a t e d I n p u t - O u t p u t m o d u l e s s u c h a s m e t e r s , c o n t r o l l e r s , p l o t t e r s a n d g r a p h s a r e a v a i l a b l e w h i c h c a n e v e n c o n t r o l w h i l e t h e c i r c u i t s a r e a t s i m u l a t i o n r u n m o d e . T h e r e f o r e o n l i n e c o n t r o l o f c i r c u i t o r m o d e l p a r a m e t e r s a n d m o n i t o r i n g o f r e s u l t s c a n b e d o n e e a s i l y . P S C A D c o m e s c o m p l e t e w i t h a l i b r a r y o f p r e - p r o g r a m m e d a n d t e s t e d m o d e l s , r a n g i n g f r o m s i m p l e p a s s i v e e l e m e n t s a n d c o n t r o l f u n c t i o n s , t o m o r e c o m p l e x m o d e l s , s u c h a s e l e c t r i c m a c h i n e s , F A C T S d e v i c e s , t r a n s m i s s i o n l i n e s a n d c a b l e s . I f a p a r t i c u l a r m o d e l d o e s n o t e x i s t , P S C A D p r o v i d e s t h e f l e x i b i l i t y o f b u i l d i n g c u s t o m m o d e l s , e i t h e r b y a s s e m b l i n g t h o s e g r a p h i c a l l y u s i n g e x i s t i n g m o d e l s , o r b y u t i l i z i n g a n i n t u i t i v e l y d e s i g n e d D e s i g n E d i t o r . 4 . 2 . 1 P S C A D 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 ) w i n d o w P S C A D s o f t w a r e c o m e s w i t h a u s e r f r i e n d l y G U T ( G r a p h i c a l U s e r I n t e r f a c e ) w h i c h p r o v i d e s a n a c t i v e e n v i r o n m e n t f o r u s e r s t o d e v e l o p s o l u t i o n s b y g r a p h i c a l m e a n s . T h e F i g u r e 4 . 1 s h o w s a t y p i c a l G U I w i n d o w o f P S C A D s o f t w a r e . T h e G U T c a n b e P a g e I 3 6 ~-- d i v i d e d i n t o f o u r b a s i c w o r k i n g a r e a s c a l l e d W o r k s p a c e W i n d o w , O u t p u t W i n d o w , D e s i g n E d i t o r a n d t h e r e s t o f t h e a r e a c o n s i s t s o f t o o l b a r s , m e n u s a n d p a l e t t e s . T h e W o r k s p a c e W i n d o w i s t h e c e n t r a l p r o j e c t d a t a b a s e f o r P S C A D w h i c h g i v e s a n o v e r v i e w o f c u r r e n t l y l o a d e d p r o j e c t s ( i . e . p r o j e c t t r e e ) , m a s t e r l i b r a r y , d a t a f i l e s , s i g n a l s , c o n t r o l s , t r a n s m i s s i o n l i n e s , c a b l e o b j e c t s , d i s p l a y d e v i c e s a n d e t c . F u r t h e r i t · u m e n u · E l e t · M a i n R u n M a i n , _ ; " r : s c • _ D P r • ' ' " ' ' " ' ' ' - [ " " · " . ~ t J · m · · · e · · · · b · · · a · · · r · · · · · · · t o o l b c n e a l C o n t r o l " - ' ' " ' E d t ' . . . " M o m ] a r c " " : :u~"" ( L · · j · · · · · · · · · · · · · · · . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ~alette p~l~tt_~. • • , . 0 . . . . . . , . . . . . j ·~:u U · · - · · · · · · . ····~ , . ' ' . . . . ' . " . :~::::;-:::~:: ~ ~ . -·~~· ~~- M o d c l m g 0 """~' • . • ~ J ~..,. · · · • • , . ' • ·-~~ s p a c e " . . ~ - < · · · · · + · · · · · · · · ! ·~-~·I C ' - ~ ' I I 0 . { I · . . . . r'~ : ~ I : I . . - -~1 t - - X M w B - I . . , . _ _ i _ . _ - - I f.~> : ' " ~ W o r k s p a c e w i n d o w ~·~·· ' ' · - ' . . . . . . . . . . . ,,~ • I . 0 I f.~> • ' , . . D e s i g n ' ) . . . . ~ _ _ ' · : = ~· . . ~ - · · · · . : > : • _ _ ; : > . _ . · : . , , c d ; t o c 1 . - , , T ~~~: ; : 1 _ , ; - , : j ~~·- ' • . ~ I C J - E : : J I 3 1 1 E J - C J - C J I - - · · · · · :~_,_;yj I , , I ' ' • I I @ ! I ~; 1 2 " I L l · H . • · · · · • · • 1 , · • • I - < \ ) B u i l d j 2 ' f R u n t i m e I . . l . Se~:~rch J R M d y F i g u r e 4 . 1 ~Typical w o r k i n g w i n d o w o f P S C A D s o f t w a r e " " ' ( . ~ i f - = ~ ' ~ ; ; : ~ a b ' v i : ; ; i p r o v i d e s t h e f a c i l i t y t o o r g a n i z e t h e m w i t h i n t h e w o r k s p a c e w i n d o w b y d r a g a n d d r o p f e a t u r e . T h e O u t p u t W i n d o w s e c t i o n p r o v i d e s a n e a s i l y a c c e s s i b l e i n t e r f a c e f o r v i e w i n g f e e d b a c k a n d t r o u b l e s h o o t i n g o f s i m u l a t i o n s . A l l t h e e r r o r a n d w a r n i n g m e s s a g e s e i t h e r g i v e n b y a c o m p o n e n t , P S C A D o r E M T D C c a n b e v i e w e d f r o m t h e o u t p u t w i n d o w s e c t i o n a n d a l s o p r o v i d e s t h e f a c i l i t y t o l o c a t e t h e e r r o r s b y d o u b l e c l i c k i n g o n t h e e r r o r m e s s a g e s . T h e D e s i g n E d i t o r w i n d o w i s p r o b a b l y t h e m o s t i m p o r t a n t p a r t o f t h e P S C A D e n v i r o n m e n t , a n d i s w h e r e m o s t ( i f n o t a l l ) p r o j e c t d e s i g n w o r k i s p e r f o r m e d . T h e D e s i g n E d i t o r i s u s e d m o s t l y f o r t h e g r a p h i c a l c o n s t r u c t i o n o f c i r c u i t s ( C i r c u i t v i e w ) , a n d a l s o i n c l u d e s a n e m b e d d e d c o m p o n e n t d e f i n i t i o n e d i t o r . \ . \ o \ J J a g e I 3 7 ' · - · \ . , . . \ ~ c;.'< . - ~ 4 . 3 C r e a t i o n o f s u b m o d e l s i n P S C A D F o l l o w i n g s e c t i o n s d e s c r i b e t h e s u b m o d e l s w h i c h w e r e d e v e l o p e d i n P S C A D b a s e d o n t h e t r a n s i e n t m o d e l c o n c e p t s p r o v i d e d i n t h e p r e v i o u s c h a p t e r . 4 . 3 . 1 T r a n s m i s s i o n l i n e m o d e l A s d e s c r i b e d i n t h e p r e v i o u s c h a p t e r t h e t r a n s m i s s i o n l i n e s e c t i o n s a n d l i n e s p a n s w e r e m o d e l e d b y u s i n g t h e s t a n d a r 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 a v a i l a b l e i n t h e M a s t e r L i b r a r y o f t h e P S C A D . T h e r e a r e t w o b a s i c w a y s o f c o n s t r u c t i n g a 1 3 R S e g r n e n t 1 O v e m e : a d U r . e l n N r f a c e C < ) m p o n < . : n t s ( e l e c t r i c a l c o n n e c t i • ) n : S : t o r e s t o f n e t w o r k ) <:J~~·" T S e q m e n t 1 - ~--C> T r a r o s m i s s i o n U r o " C o r o f i g v r a t i o n C o m p o r o e r t t ( c o r o t a i n s t r a n s m i s s i o n s e g m e n t d e i i r o i t i o r o ) 1 l l E S e g r n e n t l f i g u r e 4 . 2 - T r a n s m i s s i o n l i n e m o d e l ( R e m o t e e n d m e t h o d ) t r a n s m i s s i o n l i n e i n P S A C D b y u s i n g t h e a b o v e s t a n d a r d m o d e l a n d i n t h i s s t u d y t h e r e m o t e e n d m e t h o d w a s u s e d ( S e e t h e F i g u r e 4 . 2 ) . C r e a t i n g t h e t r a n s m i s s i o n l i n e w i t h t w o l i n e i n t e r f a c i n g e n d c o m p o n e n t s h a v i n g t h e s a m e l i n e n a m e i s c a l l e d r e m o t e e n d T t a n s m i s s i o n l i n e C o n f i g u r a t i o n S e g m e n t N a m e S t e a d y - S t a t e F r e q u e n c y S e g m e n t L e n g t h [54~ss3·--· . . . . N t . . n n b e r o f C c o n d u c t o r s T e n n i n a t i o n S t y l e S e g m e n t C r o s s - S e c t i o n H e l p F i g u r e 4 . 3 - T r a n s m i s s i o n l i n e p a r a m e t e r i n p u t w i n d o w P a g e I 3 8 m e t h o d . C o n d u c t o r c o n f i g u r a t i o n o f i n t e r f a c i n g c o m p o n e n t s i s s h o w n i n t h e F i g u r e 3 . 2 . T r a n s m i s s i o n l i n e c o m p o n e n t ' s p a r a m e t e r s w e r e e n t e r e d i n t h e p o p - u p w i n d o w a s s h o w n i n t h e F i g u r e 4 . 3 . S e l e c t i o n o f " E d i t " b u t t o n i n f r o n t o f t h e " S e g m e n t C r o s s - S e c t i o n " a s s h o w n i n t h e F i g u r e 4 . 3 e n a b l e s t h e u s e r t o e n t e r t h e p a r a m e t e r v a l u e s G o n d . f l 1 2 3 4 5 e G e n e r - a l L i n e G e o m e t r y D a t a I n p u t T ·~•Ner: 1 D L + l 5 T c.w~ r C e r • t r ; , 0 [ r r • J C o n d u c t o r s A C S R Z : e b r a - - ' > v r Q u n d W i r o e : s : o S 7 l 3 . i : : 5 - C o n r~ecti(•n ; ; ( ( f r o m y O W . # r : : : o n n e r : - t i o n X ( f r o m P h ; ; J £ 1 0 \ 1 1 1 o w i : / r e " ntri:~) ( . l 1 t m t u e r ) F ' h a s i n g # c W o J f ! r c B n t r f ! . , - 5 . 4 3 [ m } 3 5 . 7 0 5 [ r n l I 1 - 5 . 4 3 [ r n ] . . , 4 · 5 . 7 0 [ m J 2 9 . ? 2 6 [ r n ] 2 2 6 . 4 3 ( r n ] ~. - 1 5 . 2 3 [ 1 1 " • 1 2 3 . 2 8 1 5 [ m ) k L - / ( j 5 . 4 3 : [ r n ] 3 5 . 7 0 1 3 f m ] t . . t i d · S r • a n S a g · • _ , . . . . - 7 5 7 0 { r n l 2~.:526 ! r n ] I £ U i 8 [ m J f M C o r o d u d . : . r ; ! 3 E : . 2 ? - [ r r , J 2:~.:/66 f m l 1 3 . 4 1 { m l f v r • : : ? r ' l • J n d ' • N i r z ; G r o u n d Resisthrit~•: 1 0 0 0 . 0 [ o h m ' m ] R o : l a t i v e ( > r o u n d P o : r m e a b i l i t 1 • 1 . 0 E a r t r , R . . t u r r . r . : . r r r o u l a : Analyti~,.ll Ar>~·r~·: F i g u r e 4 . 4 - G e n e r a l L i n e G e o m e t r y D a t a i n p u t y ( . ; J t tolf•l~ r ) 4 1 . 7 4 { m ) 4 · 1 . 7 4 [ r n ) ~ . 4 [ m ] ( g e o m e t r i c a l a n d e l e c t r i c a l p r o p e r t i e s a s a t t a c h e d i n A n n e x 3 ) o f t h e t o w e r s , c o n d u c t o r s a n d g r o u n d . A t y p i c a l g e o m e t r i c a l i n p u t d a t a s e t w h i c h w a s f e d i n t o t h e P S C A D i s s h o w n i n t h e F i g u r e 4 . 4 . i . - . . , t \ / ' V ' - 1 9 [ o h m ) P a r a l l e l R - L b r a n c h e s ~ • . / V V ' - - . ; V V ' - • . , I \ I V ' - 4 [ o h m ) 4 [ o h m J f [ o h m l • l • • . , ; \ , i \ 1 ' 4 · 1 ' · . / ' . / ' 4 •~"l'vA4. • . , I \ ; \ , / ' 4 J 12~.10 [ohm]1~.70 !o~mJ125.70 [o~m]125.70 [ o h m ] i ;:~'[~] t 7~(Hl t ~t~l t ~[HI T o w e r b o t t o m T o w e r t o p T o w e r s u r g e i m p e d a n c e s F i g u r e 4 . 5 - T y p i c a l t o w e r m o d e l c r e a t e d i n P S C A D P a g e I 3 9 ~t } 4 . 3 . 2 T r a n s m i s s i o n t o w e r m o d e l A s p e r t h e p r o p o s e d m o d e l i n t h e p r e v i o u s c h a p t e r , t h e t r a n s m i s s i o n t o w e r s w e r e m o d e l b y t h e C o n s t a n t P a r a m e t e r D i s t r i b u t e d L i n e ( C P D L ) m o d e l w h i c h c o n s i s t s o f f o u r ( 0 4 ) n u m b e r s o f i m p e d a n c e s s e r i e s w i t h f o u r n u m b e r s o f p a r a l l e l R e s i s t a n c e - I n d u c t a n c e b r a n c h e s a s s h o w n i n t h e F i g u r e 4 . 5 . T h e t o w e r m o d e l i s c r e a t e d c o m p l e t e l y b y u s i n g t w o b a s i c p a s s i v e c o m p o n e n t s n a m e d r e s i s t o r a n d i n d u c t o r a v a i l a b l e i n t h e M a s t e r L i b r a r y o f t h e P S C A D . P a r a m e t e r v a l u e s o f e a c h r e s i s t o r s a n d i n d u c t o r s w e r e s e t a s s h o w n i n t h e T a b l e 3 . 1 . 4 . 3 . 3 T o w e r g r o u n d i n g r e s i s t a n c e m o d e l A v a r i a b l e r e s i s t a n c e c o m p o n e n t a v a i l a b l e i n t h e P S C A D M a s t e r L i b r a r y i s u s e d t o F i g u r e 4 . 6 - T o w e r g r o u n d i n g r e s i s t a n c e m o d e l r e p r e s e n t t h e I m p u l s e g r o u n d i n g r e s i s t a n c e o f a t r a n s m i s s i o n t o w e r . T h e v a l u e o f t h e v a r i a b l e r e s i s t a n c e w a s v a r i e d e x t e r n a l l y f r o m I O n t o I O O n i n I O n s t e p s b y t h e ' " M u l t i p l e R u n ' ' s i m u l a t i o n c o m p o n e n t a s d e s c r i b e d i n t h e s e c t i o n 4 . 5 . F i g u r e 4 . 6 Y - P h a s e ( " . 1 ~ 0 : : C i r c u i t B r e a k e r ~~>~ i : L a . ( X ) N C ) C ) 0 0 q / ' \ , - - - - - - . . . P h a s e c o n d u c t o r T o w e r c r o s s a r m • , \ / / ' · · . . . " - - - - , C a p a c i t o r F i g u r e 4 . 7 - I n s u l a t o r s t r i n g c a p a c i t o r a n d B a c k f l a s h o v e r B r e a k e r m o d e l s P a g e I 4 0 s h o w s a t y p i c a l i m p u l s e g r o u n d i n g r e s i s t a n c e m o d e l o f a t o w e r w h i c h w a s c r e a t e d b y t h e a i d o f a v a r i a b l e r e s i s t o r c o m p o n e n t i n P S C A D . 4 . 3 . 4 L i n e i n s u l a t o r s t r i n g w i t h b a c k f l a s h o v e r m o d e l T h e i n s u l a t o r s t r i n g a n d t h e b a c k f l a s h o v e r e v e n t w e r e m o d e l e d b y a n e q u i v a l e n t c a p a c i t o r p a r a l l e l w i t h a n e x t e r n a l l y c o n t r o l l e d c i r c u i t b r e a k e r a s s h o w n i n t h e F i g u r e 4 . 7 . A s d e s c r i b e d i n t h e s e c t i o n 3 . 3 . 4 i n t h e p r e v i o u s c h a p t e r , t h e o p e r a t i o n o f c i r c u i t b r e a k e r i s c o n t r o l l e d b y a b a c k f l a s h o v e r c o n t r o l m o d u l e s h o w n i n t h e F i g u r e 3 . 6 . T h e b a s i c l o g i c d i a g r a m s h o w n i n t h e F i g u r e 3 . 6 w a s i m p l e m e n t e d i n P S C A D ( S e e F i g u r e 4 . 8 ) b y u s i n g b a s i c C o n t r o l B l o c k s a v a i l a b l e i n t h e M a s t e r L i b r a r y . I n s u l a t o r S t r i n g V o l t a g e ( V s l l ) , L i n e t o G r o u n d V o l t a g e ( V l l ) , A r c H o r n G a p l e n g t h ( = 2 m ) a n d I n s t a n t a n e o u s P h a s e V o l t a g e ( V a ) a r e t a k e n a s t h e i n p u t d a t a f o r t h e a b o v e m o d u l e . I n b u i l t V o l t m e t e r c o m p o n e n t s a n d t h e i r o u t p u t s i g n a l s a r e u s e d t o r e a d t h e I n s u l a t o r S t r i n g V o l t a g e ( V s l l ) a n d L i n e t o G r o u n d V o l t a g e ( V I I ) , w h e r e a s t h e I n s t a n t a n e o u s P h a s e V o l t a g e s a r e g i v e n b y t h e P o w e r F r e q u e n c y P h a s e V o l t a g e F i g u r e 4 . 8 - B a c k f l a s h o v e r c o n t r o l m o d u l e i m p l e m e n t e d i n P S C A D G e n e r a t o r m o d e l d e s c r i b e d i n t h e s e c t i o n 3 . 3 . 8 . C o n t r o l c o m p o n e n t s f o r m i n g t h e l e f t m o s t b r a n c h o f t h e m o d u l e a s s h o w n i n t h e f i g u r e 4 . 8 , i s c a l c u l a t i n g t h e t 0 \ 5 v a l u e ( t = e l a p s e d t i m e ) b a s e d o n t h e i n p u t d a t a V s l l a n d V I I . T h e c o n t r o l c o m p o n e n t s f o r m i n g t h e l o o p , g e n e r a t e s t h e f l a s h o v e r v o l t a g e v a l u e ( V f o ) t a k i n g t h e a r c h o r n g a p l e n g t h ( A g = 2 m ) a n d t h e t 0 \ 5 v a l u e a s t h e i n p u t p a r a m e t e r s . T h e a c t u a l i n s u l a t o r s t r i n g v o l t a g e i s g e n e r a t e d b y t h e u p p e r m o s t D i f f e r e n c i n g J u n c t i o n c o m p o n e n t t a k i n g t h e r e l e v a n t p o w e r f r e q u e n c y p h a s e v o l t a g e v a l u e a n d t h e m e a s u r e d s t r i n g v o l t a g e a s i n p u t d a t a . F i n a l l y t h e c o m p a r a t o r c o m p o n e n t c o m p a r e s t h e g e n e r a t e d V f o a n d a c t u a l s t r i n g v o l t a g e v a l u e s a n d g i v e s t h e P a g e I 4 1 t ; _ } o u t p u t s i g n a l a s a p o s i t i v e p u l s e w h e n e v e r t h e v o l t a g e p r o f i l e s a r e c r o s s e s e a c h o t h e r w h i c h f o r m u l a t e a b a c k f l a s h o v e r e v e n t . M o n o - s t a b l e c o m p o n e n t a t t h e r i g h t m o s t s i d e o f t h e m o d e l g e n e r a t e s a d i g i t a l o u t p u t v a l u e " 1 " b a s e d o n p o s i t i v e p u l s e g e n e r a t e d b y t h e c o m p a r a t o r c o m p o n e n t . I n v e r t o r c o m p o n e n t a t t h e e n d o f t h e m o d e l g e n e r a t e t h e o p p o s i t e d i g i t a l v a l u e " 0 " r e q u i r e d a s a n i n p u t d a t a t o t h e r e l e v a n t C i r c u i t B r e a k e r t o c l o s e t h e c i r c u i t . C l o s e o p e r a t i o n o f t h e c i r c u i t b r e a k e r c r e a t e s a n e x t e r n a l c o n d u c t i v e p a t h a c r o s s t h e i n s u l a t o r s t r i n g w h i c h s i m u l a t e s t h e b a c k f l a s h o v e r a r c g e n e r a t e d a c r o s s t h e a r c h o r n g a p s . 4 . 3 . 5 P o w e r f r e q u e n c y p h a s e v o l t a g e g e n e r a t o r m o d e l A s d e s c r i b e d i n t h e s e c t i o n 3 . 3 . 8 , i n s t a n t a n e o u s p o w e r f r e q u e n c y p h a s e v o l t a g e s w e r e P n . - - - 1 - t l - P U _ t _ d _ a - t a - / 1 P h a s e a n g l e I n p u t d a t a 1 2 0 d e g P t 1 a s e s h i f t (~ o u t p u t d a t a P h a s e v o l t a g e 0 f a ) o u t p u t d a t a P h a s e v o l t a g e 0 / b ) O u t p u t d a t a P h a s e v o l t a g e r y e ) I n p u t d a t a P e a k v o l t a g e 0 / P ) f i g u r e 4 . 9 - P o w e r f r e q u e n c y p h a s e v o l t a g e g e n e r a t o r m o d e l g e n e r a t e d b y u s i n g t h e c i r c u i t c r e a t e d i n P S C A D ( S e e t h e F i g u r e 4 . 9 ) . T h e c i r c u i t i s c r e a t e d b y m o d e l i n g t h e e q u a t i o n s 3 - 1 5 , 3 - 1 6 a n d 3 - 1 7 g i v e n f o r e a c h p h a s e v o l t a g e v a r i a t i o n . B a s i c c o n t r o l c o m p o n e n t s s u c h a s S u m m i n g / D i f f e r e n c i n g j u n c t i o n s , R e a l / I n t e g e r c o n s t a n t s , T r i g o n o m e t r i c S i n f u n c t i o n a n d m u l t i p l i e r s w e r e u s e d t o c r e a t e t h e c i r c u i t a s s h o w n i n t h e F i g u r e 4 . 9 . T h e ' ' p h a s e a n g l e " i n p u t d a t a v a l u e s a r e g i v e n b y t h e ' ' M u l t i p l e R u n " s i m u l a t i o n c o m p o n e n t a s d e s c r i b e d i n t h e s e c t i o n 4 . 5 . O u t p u t p h a s e v o l t a g e s , V a , V b a n d V c w e r e d i r e c t l y u s e d i n t h e b a c k f l a s h o v e r c o n t r o l m o d u l e s t o g e n e r a t e t h e a c t u a l i n s u l a t o r s t r i n g v o l t a g e s . \~ ' P a g e I 4 2 \ . . . . . . ~ 4 . 3 . 6 L i n e e n d t e r m i n a t i o n m o d e l T w o e n d s o f t h e t r a n s m i s s i o n l i n e w e r e g r o u n d e d t h r o u g h e q u i v a l e n t s u r g e } , 1 1 \ ! { ; 1 \ . . . . . I , , ~ h ~ w w ~ ~ ~ ~~~ H H H H H 1~ H . ~ . , ; , _ 1 1 F i g u r e 4 . 1 0 - L i n e t e r m i n a t i o n m o d e l c r e a t e d i n P S C A D i m p e d a n c e s o f e a c h g r o u n d a n d p h a s e c o n d u c t o r s a s s h o w n i n t h e F i g u r e 4 . 1 0 . E a c h e n d o f t h e g r o u n d e d i m p e d a n c e s w a s c o n n e c t e d t o t h e n e a r e s t i n t e r f a c i n g c o m p o n e n t o f t h e t r a n s m i s s i o n l i n e s e c t i o n a s p e r t h e r e l e v a n t c o n n e c t i o n a r r a n g e m e n t . T o p t w o t e r m i n a l s o f t h e i n t e r f a c i n g c o m p o n e n t s t a n d f o r t h e t w o G r o u n d W i r e s a n d t h e r e s t s i x t e r m i n a l s s t a n d f o r t h e p h a s e c o n d u c t o r s o f e a c h c i r c u i t . P h a s e c o n d u c t o r s o f b o t h c i r c u i t s w e r e g r o u n d e d t h r o u g h 3 5 4 0 e q u i v a l e n t i m p e d a n c e s a n d s i m i l a r l y t h e g r o u n d c o n d u c t o r s w e r e g r o u n d e d t h r o u g h 4 2 6 0 e q u i v a l e n t i m p e d a n c e s . 4 . 3 . 7 S u r g e A r r e s t e r m o d e l C o n s t r u c t i o n o f s u r g e a r r e s t e r m o d e l i n P S C A D i s d o n e t h r o u g h t h e f o l l o w i n g s t e p s d e s c r i b e d i n [ I I ] . S t e p 1 : D e t e r m i n a t i o n o f i n i t i a l p a r a m e t e r v a l u e s f o r L o , C , L l a n d R l w h e n e s t i m a t e d h e i g h t o f t h e a r r e s t e r ( d ) = 2 . 1 0 5 m ( f o r P E X L I M Q t y p e A B B a r r e s t e r [ 1 3 ] ) a n d n u m b e r o f p a r a l l e l c o l u m n s o f m e t a l o x i d e i n t h e a r r e s t e r ( n ) = I . C a l c u l a t e d i n i t i a l p a r a m e t e r s : ( S e e F i g u r e 4 . 1 1 ) L 1 = 1 5 * d / n = 1 5 * 2 . 1 0 5 / 1 = 3 1 . 5 7 5 J . . ! H R 1 = 6 5 * d / n = 6 5 * 2 . 1 0 5 1 1 = 1 3 6 . 8 2 5 0 L 0 = 0 . 2 * d / n = 0 . 2 * 2 . 1 0 5 / 1 = 0 . 4 2 1 J . . ! H P a g e I 4 3 C o = 1 O O * n / d = 1 0 0 * 1 / 2 . 1 0 5 = 4 7 . 5 0 6 p F 3 1 . 5 7 5 e - 6 [ H ] -~..-.....-.... L o L 1 • - . . J , j L J . . . . _ f - A I \ 0 . 4 2 · 1 e - 6 [ H ] ~ 3 6 . 8 2 5 [ o h m ] - - . . J • : . . T ' t R 1 0 c ; , ( I ) ~, I c T A O T A 1 c . 2 J F i g u r e 4 . 1 1 - S u r g e a r r e s t e r m o d e l c r e a t e d i n P S C A D S t e p 2 : E v a l u a t i o n o f s e a l i n g f a c t o r U 1 0 1 1 . 6 , t o a p p l y t o t h e s u r g e a r r e s t e r c o m p o n e n t s o f b o t h A o a n d A 1 s e c t i o n s u n d e r A r r e s t e r V o l t a g e R a t i n g i n P S C A D F r o m t a b l e - 2 i n A n n e x 7 , f o r s e l e c t e d P E X L I M Q t y p e A B B a r r e s t e r , U 1 0 ( D i s c h a r g e v o l t a g e a t l O k A ) = 4 2 3 k V T h e r e f o r e t h e A r r e s t e r V o l t a g e R a t i n g = 4 2 3 / 1 . 6 k V = 2 6 4 k V S t e p 3 : D e f i n i n g o f ' ' ! - V C h a r a c t e r i s t i c ' ' f o r b o t h A o a n d A 1 s e c t i o n s a n d e n t e r e d i n t o t h e s u r g e a r r e s t e r c o m p o n e n t s I n i t i a l I , V v a l u e s f o r A 0 a n d A 1 w e r e s e t a s s h o w n i n t h e T a b l e 4 . 1 . X - a x i s c u r r e n t [ k A ] A o Y - a x i s v o l t a g e [ p u ] A t Y - a x i s v o l t a g e [ p u ] l . O E - 7 1 . 1 0 0 . 7 2 l . O E - 6 1 . 2 8 1 . 0 0 1 . 0 E - 5 1 . 3 3 1 . 0 8 l . O E - 4 1 . 3 7 1 . 1 1 P a g e I 4 4 • 0 . 0 0 1 1 . 3 9 1 . 1 5 0 . 0 1 1 . 4 2 1 . 1 8 0 . 1 1 . 5 2 1 . 2 2 1 . 0 1 . 6 5 1 . 3 2 3 . 8 1 6 1 . 7 5 1 . 4 0 1 0 . 0 1 . 9 0 1 . 5 5 1 0 0 . 0 3 . 8 0 1 . 9 5 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - T a b l e 4 . 1 - I n i t i a l I , V v a l u e s f o r A 0 a n d A 1 [ I I ] S t e p 4 : A d j u s t m e n t o f t h e ( U 1 0 / 1 . 6 ) s c a l i n g f a c t o r f o r t h e A 1 n o n - l i n e a r r e s i s t a n c e s e c t i o n , t o m a t c h t h e s w i t c h i n g s u r g e d i s c h a r g e v o l t a g e . T h i s i s d o n e b y t r i a l a n d e r r o r u n t i l t h e r e i s a g o o d m a t c h b e t w e e n t h e m a n u f a c t u r e r s ' s w i t c h i n g s u r g e d i s c h a r g e v o l t a g e U s s a n d c u r r e n t a n d t h e m o d e l t e s t r e s u l t s . I ' D o u b l e e x p o n e n t i a l t e s t w a v e g e n e r a t e r L o r " ' - A _ , V 4 2 1 e - 6 [ H ] ; : ' ! ! . c . 2 ! F i g u r e 4 . 1 2 - C r e a t e d t e s t c i r c u i t i n ! ' S C A D f o r s u r g e a r r e s t e r t e s t i n g A s p e r t h e m a n u f a c t u r e s ' d a t a s h o w n i n t a b l e 2 o f A n n e x 7 , U s s = 3 5 7 k V ( p e a k ) f o r I k A s u r g e o f 3 0 / 6 0 f l s w a v e s h a p e . P a g e I 4 5 . - T h e r e f o r e a d o u b l e e x p o n e n t i a l w a v e f o r m o f 3 0 / 6 0 ! l s w i t h I k A p e a k c u r r e n t ( S e e F i g u r e 4 . 1 3 ) w a s g e n e r a t e d a n d a p p l i e d t o t h e a r r e s t e r m o d e l . C r e a t e d t e s t c i r c u i t i n P S C A D f o r t h e t e s t i n g o f a r r e s t e r i s s h o w n i n t h e F i g u r e 4 . 1 2 . T e s t c u r r e n t s u r g e w a v e • S u r · q e 1 . 0 0 ( ' \ 0 . 9 0 , · \ o . s o I \ 0 . 7 0 l \ [ 0 . 6 0 \ 0 . 5 0 \ c ~ 0 . 4 0 \~ : : 0 0 0 . 3 0 . ; 0 . 2 0 l j '~ 0 . 1 0 0 . 0 0 T i m e r s 1 o . o o O . O S m 0 : 1 O t n 0 . 1 5 t n 0 . 2 0 m 0 . 2 5 t n 0 . 3 0 t n F i g u r e 4 . 1 3 - T e s t s u r g e w a v e f o r m 3 0 / 6 0 u s w i t h I k A p e a k T h e a r r e s t e r v o l t a g e r a t i n g ( U 1 0 1 1 . 6 ) o f o n l y A 1 c o m p o n a n t w a s c h a n g e d . A p e a k v a l u e o f 3 5 7 k V d i s c h a r g e v o l t a g e w a s o b t a i n e d a t 2 7 0 . 5 k V a r r e s t e r v o l t a g e r a t i n g ( S e e F i g u r e 4 . 1 4 ) . < : : ; : " ~ Q ) D ! r o ~ J T i m e f s l • U s s 4 0 0 3 5 0 3 0 0 2 5 0 2 0 0 1 5 0 1 0 0 5 0 0 r - 0 . 0 0 A r r e s t e r d i s c h a r g e vo~age . . - j . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . f . . . . . . . . . . . ~-·-····1 0 . 0 5 t n 0 . 1 0 t n 0 . 1 5 t n 0 . 2 0 t n 0 . 2 5 t n 0 . 3 0 t n F i g u r e 4 . 1 4 - T e s t r e s u l t , a r r e s t e r d i s c h a r g e v o l t a g e a t I k A P a g e I 4 6 j S t e p 5 : T h e a r r e s t e r m o d e l n o w h a s c o r r e c t n o n - l i n e a r r e s i s t a n c e s f o r t h e A 0 a n d A 1 s e c t i o n s f o r s w i t c h i n g s u r g e s . I t i s n o w r e q u i r e d t o t e s t t o o b t a i n a g o o d m a t c h f o r t h e d i s c h a r g e v o l t a g e w i t h t h e 8/20~ts i n j e c t e d c u r r e n t . T h e f i l t e r i n d u c t a n c e L 1 i n t h e m o d e l i s a d j u s t e d u n t i l t h e t e s t c i r c u i t p r o d u c e s a g o o d m a t c h w i t h t h e m a n u f a c t u r e r ' s U 1 0 d i s c h a r g e v o l t a g e . A s p e r t h e m a n u f a c t u r e s ' d a t a s h o w n i n t a b l e 2 o f A n n e x 7 , U 1 0 = 4 2 3 k V ( p e a k ) f o r 1 O k A s u r g e o f 8/20~s w a v e s h a p e . T w o s l i d e r c o m p o n e n t s a r e u s e d i n t h e t e s t c i r c u i t t o c h a n g e t h e p e a k c u r r e n t o f t e s t s u r g e a n d t h e L 1 i n d u c t o r v a l u e a s s h o w n i n t h e F i g u r e 4 . 1 2 . T h e s a m e d o u b l e e x p o n e n t i a l t e s t s u r g e w a v e g e n e r a t o r c i r c u i t i s u s e d w i t h d i f f e r e n t c o e f f i c i e n t o f e x p o n e n t v a l u e s t o g e n e r a t e t h e 8/20~s w a v e a s s h o w n i n t h e F i g u r e 4 . 1 5 . A v a l u e o f 4 2 3 k V p e a k d i s c h a r g e v o l t a g e w a s o b t a i n e d b y s e t t i n g t h e i n d u c t a n c e L 1 t o 1 . 7 9 5 x 1 0 - 5 H . T e s t c u r r e n t s u r g e w a v e • S u r q e 1 0 . 0 r 9 0 \ s . o I 7 . 0 ~ : : I \ c ~ 4 . 0 \ : : ; 0 3 . 0 \ 2 . 0 ' 1 . 0 0 . 0 T i m e [ s l 0 . 0 0 0 . 0 5 m 0 . 1 0 m 0 . 1 5 m 0 . 2 0 m 0 . 2 5 m 0 . 3 0 m F i g u r e 4 . 1 5 - T e s t s u r g e w a v e f o r m 8 / 2 0 ! ! s w i t h I O k A p e a k T h e o b t a i n e d d i s c h a r g e w a v e f o r m i s s h o w n i n t h e F i g u r e 4 . 1 6 . P a g e I 4 7 ~ : Y Q ) O l r o = : : : > . i l . r r e s t e r d i s c h a r g e v o l t a g e • U · l O 4 5 0 - 4oof~- 3 5 0 3 0 0 2 5 0 2 0 0 1 5 0 1 0 0 5 0 0 · I · · ·····""···-~--·············+···· ·~······· · · · · · · · + · · · · · - · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ! · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · I r - 0 . 0 0 T i t n e [ s l 0 . 0 5 r n 0 . 1 O r n 0 . 1 5 r n 0 . 2 0 r n 0 . 2 5 r n 0 . 3 0 t n F i g u r e 4 . 1 6 - T e s t r e s u l t , a r r e s t e r d i s c h a r g e v o l t a g e a t 1 O k A 4 . 3 . 8 L i g h t n i n g s u r g e g e n e r a t o r m o d e l A s p e r t h e e q u a t i o n 3 . 1 4 g i v e n i n t h e s e c t i o n 3 . 3 . 7 , t h e s t a n d a r d 8 / 2 0 ! - l s d o u b l e e x p o n e n t i a l w a v e f o r m w a s g e n e r a t e d b y a n i n b u i l t c u r r e n t s o u r c e h a v i n g i t s m a g n i t u d e c o n t r o l l e d b y a n e x t e r n a l c o n t r o l c i r c u i t ( s e e t h e F i g u r e 4 . 1 7 ) . T h e e x t e r n a l c o n t r o l c i r c u i t c o n s i s t s o f t w o s i m i l a r p a r a l l e l b r a n c h e s w i t h a c o m m o n i n p u t p a r a m e t e r c o m p o n e n t g i v i n g t h e s i m u l a t i o n t i m e o f t h e s y s t e m . E a c h b r a n c h c o n s i s t s o f a n e x p o n e n t i a l f u n c t i o n c o m p o n e n t a n d a m u l t i p l i e r c o m p o n e n t i n s e r i e s . T h e m u l t i p l i e r c o m p o n e n t d e t e r m i n e s t h e m a g n i t u d e o f t h e c u r r e n t w a v e f o r m w h i c h c o n t r o l l e d e x t e r n a l l y b y t h e " M u l t i p l e R u n " s i m u l a t i o n c o m p o n e n t a s d e s c r i b e d i n t h e s e c t i o n 4 . 5 . A s s h o w n i n t h e F i g u r e 4 . 1 7 , t h e D i f f e r e n c i n g j u n c t i o n c o m p o n e n t g i v e s I n p u t d a t a t i m e r - - - - - - - 1 . , B x I L _ _ _ \ / I ~ ( T I M E ) E H p o n e n ! l a l f u n c t i o n c o r n p o n e n t M u l t p l i e r c o m p o n e n t ( G a m b l o c k ) G r o u n d e d C u r r e n t s o u r c e - - - - - - . . \ . ; r - - = . . F i g u r e 4 . 1 7 - L i g h t n i n g s u r g e g e n e r a t o r m o d e l c r e a t e d i n ! ' S C A D P a g e I 4 8 t h e i n s t a n t a n e o u s v a l u e s o f d o u b l e e x p o n e n t i a l w a v e f o r m t o t h e c u r r e n t s o u r c e . C u r r e n t s o u r c e g e n e r a t e s t h e c o m p l e t e w a v e f o r m b a s e d o n t h e i n s t a n t a n e o u s v a l u e s g i v e n b y t h e c o n t r o l c i r c u i t . S i m i l a r l y , a v o l t a g e s o u r c e i s u s e d i n s t e a d o f t h e c u r r e n t s o u r c e t o g e n e r a t e t h e s t a n d a r d 1 . 2 / 5 0 f 1 S v o l t a g e s u r g e w a v e f o r m . 4 . 4 A s s e m b l y o f s u b m o d e l s a n d d a t a s i g n a l c o o r d i n a t i o n T h e s u b m o d e l s d e s c r i b e d i n t h e p r e v i o u s c h a p t e r s w e r e c r e a t e d i n a s i n g l e w o r k i n g s p a c e n a m e d a s a p a g e o r a m o d u l e a s d e f i n e d i n P S C A D . A l l t h e s u b m o d e l s w e r e i n t e r c o n n e c t e d b y u s i n g t h e w i r e t o o l w h e r e e v e r n e e d e d t o f o r m t h e c o m p l e t e t r a n s i e n t l i n e m o d e l a s s h o w n i n t h e F i g u r e 3 . 1 . I n t e r d e p e n d e n t s u b m o d e l s s u c h a s b a c k f l a s h o v e r m o d e l a n d p h a s e v o l t a g e g e n e r a t o r m o d e l w e r e v i r t u a l l y i n t e r c o n n e c t e d b y g i v i n g a n i d e n t i c a l r e f e r e n c e n a m e s f o r e a c h c o m m o n v a r i a b l e s . F o r a n e x a m p l e , t h e ' ' P h a s e V o l t a g e ' ' v a r i a b l e i s r e f e r r e d a s Y a i n b o t h p h a s e v o l t a g e g e n e r a t o r m o d e l a s w e l l a s i n t h e b a c k f l a s h o v e r m o d e l . T h e p h a s e v o l t a g e Y a i s a n o u t p u t v a r i a b l e p r o d u c e s b y t h e p h a s e v o l t a g e g e n e r a t o r m o d e l w h e r e a s i t i s a n i n p u t a s w e l l f o r t h e b a c k f l a s h m o d e l i n t h e s a m e t i m e f r a m e . S i m i l a r l y t h e d a t a s i g n a l s o f c o m m o n v a r i a b l e s w e r e m a n a g e d b y a s s i g n i n g t h e m w i t h i d e n t i c a l d a t a s i g n a l l a b e l s . 4 . 5 M e t h o d o f s i m u l a t i o n 4 . 5 . 1 M u l t i p l e R u n c o m p o n e n t a n d v a r i a b l e s e t t i n g s S i m u l a t i o n o f t h e c o m p l e t e d f i n a l t r a n s m i s s i o n l i n e m o d e l w a s c a r r i e d o u t b y u s i n g c · T t V 1 G 8 R k 1 2 8 8 R K 1 3 M e a s - E n a b M u l t i p l e R u n f F i g u r e 4 . 1 8 - M u l t i p l e R u n s i m u l a t i o n c o m p o n e n t i n P S C A D P a g e I 4 9 t h e " M u l t i p l e R u n " s i m u l a t i o n c o m p o n e n t ( S e e F i g u r e 4 . 1 8 ) a v a i l a b l e i n t h e M a s t e r L i b r a r y o f P S C A D . T h i s c o m p o n e n t c a n b e u s e d t o c o n t r o l a m u l t i p l e r u n , w h i l e m a n i p u l a t i n g v a r i a b l e s f r o m o n e r u n t o t h e n e x t . T h e s e v a r i a b l e s a r e o u t p u t f r o m t h e c o m p o n e n t ( u p t o s i x o u t p u t s ) a n d c a n b e c o n n e c t e d t o a n y o t h e r P S C A D c o m p o n e n t s . T h e M u l t i p l e R u n c o m p o n e n t c a n a l s o r e c o r d u p t o s i x c h a n n e l s e a c h r u n . T h r e e ( 0 3 ) n u m b e r s o f v a r i a b l e s t h o s e d i r e c t l y a f f e c t i n g t h e b a c k f l a s h o v e r s w e r e v a r i e d i n e a c h r u n o f t h e s i m u l a t i o n b y u s i n g t h e M u l t i p l e R u n c o m p o n e n t . T h e v a r i a b l e s a r e , I . M a g n i t u d e o f t h e l i g h t n i n g s u r g e c u r r e n t l a b e l e d a s " x ' ' i n t h e m o d e l i s s e t a s V 1 o f M u l t i p l e R u n c o m p o n e n t 2 . P h a s e a n g l e o f t h e p o w e r f r e q u e n c y p h a s e v o l t a g e l a b e l e d a s " P h " i n t h e m o d e l i s s e t a s V 2 o f M u l t i p l e R u n c o m p o n e n t 3 . G r o u n d i n g r e s i s t a n c e o f T o w e r - M l a b e l e d a s " R f ' ' i n t h e m o d e l i s s e t a s V 3 o f M u l t i p l e R u n c o m p o n e n t T h e r a n g e o f v a l u e s s e t f o r e a c h v a r i a b l e i n t h e M u l t i p l e R u n c o m p o n e n t i s s h o w n i n t h e T a b l e 4 . 2 . V a r i a b l e i n M u l t i p l e D a t a l a b e l u s e d i n R u n c o m p o n e n t t h e m o d e l R a n g e o f v a l u e s V 1 X 3 0 k A t o 2 0 0 k A w i t h 1 O k A s t e p s V 2 P h 0 ° t o 3 6 0 ° w i t h I 0 ° s t e p s V 3 R f 1 7 0 . , 6 2 0 . , 9 0 . T a b l e 4 . 2 - R a n g e o f v a l u e s u s e d f o r v a r i a b l e s i n M u l t i p l e R u n c o m p o n e n t A c c o r d i n g t o [ 6 ] , t h e s h i e l d i n g f a i l u r e f l a s h o v e r s a r e m o r e f r e q u e n t a t s u r g e c u r r e n t v a l u e s l e s s t h a n 2 0 k A ; w h e r e a s t h e b a c k f l a s h o v e r s t a k e p l a c e a t h i g h e r s u r g e c u r r e n t r a t i n g s a r o u n d 8 0 k A . T h e r e f o r e a r a n g e o f v a l u e s f r o m 3 0 k A t o 2 0 0 k A w i t h I O k A s t e p i s s e l e c t e d f o r t h e v a r i a b l e " x " a s s h o w n i n t h e t a b l e 4 . 2 . \ P a g e I 5 0 S i m u l a t i o n s w e r e c a r r i e d o u t f r o m 0 ° t o 3 6 0 ° f u l l r a n g e o f p h a s e a n g l e s w i t h a 1 0 ° p h a s e a n g l e s t e p t o e x a m i n e t h e e f f e c t o f p h a s e a n g l e o n b a c k f l a s h o v e r s . G r o u n d i n g r e s i s t a n c e o f t h e T o w e r - M ( M i d d l e t o w e r w h i c h i s s u b j e c t e d t o t h e l i g h t n i n g s u r g e a s s h o w n i n t h e f i g u r e 3 . 1 ) i s s e t f o r o n e o f t h e t h r e e v a l u e s a s s h o w n i n t h e t a b l e 4 . 2 i n e a c h s i m u l a t i o n . A s s h o w n i n A n n e x - 6 . t h e r e c o r d e d m a x i m u m t o w e r g r o u n d i n g r e s i s t a n c e e v e n w i t h t h e s o i l i o n i z a t i o n e f f e c t i s a r o u n d 1 7 0 . w h e n t h e s u r g e c u r r e n t i s a b o u t 3 0 k A . T h e r e f o r e t h e v a l u e 1 7 n i s t h e r e c o r d e d w o r s t c a s e o f t o w e r g r o u n d i n g r e s i s t a n c e w i t h t h e s o i l i o n i z a t i o n e f f e c t a n d i s s e l e c t e d a s o n e o f t h e t h r e e v a l u e s u s e d i n t h e s i m u l a t i o n s . A s s h o w n i n t h e F i g u r e 1 . 9 . t h e m a x i m u m r e c o r d e d t o w e r g r o u n d i n g r e s i s t a n c e i s a b o u t 6 2 n w h e n t h e s o i l i o n i z a t i o n e f f e c t i s n o t c o n s i d e r e d . T h e r e f o r e t h e v a l u e 6 2 n i s t h e w o r s t c a s e o f t o w e r g r o u n d i n g r e s i s t a n c e w h e n t h e s o i l i o n i z a t i o n e f f e c t i s n e g l e c t e d . T h e r e f o r e t h e v a l u e 6 2 n i s a l s o s e l e c t e d a s t h e s e c o n d v a l u e t o b e u s e d i n t h e s i m u l a t i o n s a s t o w e r g r o u n d i n g r e s i s t a n c e v a r i a b l e V 3 a s s h o w n i n t h e T a b l e 4 . 2 . T h e s t a n d a r d v a l u e s p e c i f i e d b y t h e l o c a l u t i l i t y f o r t h e t o w e r g r o u n d i n g r e s i s t a n c e o f a n y t r a n s m i s s i o n l i n e i s a b o u t I O n . T h e r e f o r e a v a l u e l e s s t h a n I O n ( i . e . 9 n ) i s a l s o u s e d i n t h e s i m u l a t i o n s t o i n v e s t i g a t e t h e p e r f o r m a n c e o f t o w e r s a g a i n s t l i g h t n i n g b a c k f l a s h o v e r s . W h i l e c h a n g i n g t h e v a l u e o f a b o v e v a r i a b l e s i n e a c h r u n o f t h e s i m u l a t i o n s , t h e c o n t r o l s i g n a l o u t p u t o f e a c h b a c k f l a s h o v e r c o n t r o l m o d u l e s w e r e r e c o r d e d b y t h e a i d o f s i x c h a n n e l r e c o r d e r s a v a i l a b l e i n t h e s a m e M u l t i p l e R u n c o m p o n e n t . T h e r e c o r d e d c o n t r o l s i g n a l o u t p u t s a r e s t o r e d i n a n o u t p u t f i l e a s s i g n e d t o t h e M u l t i p l e R u n c o m p o n e n t . T h e s e c o n t r o l s i g n a l o u t p u t d a t a a r e i n b i n a r y f o r m w h e r e t h e o u t p u t " 0 " m e a n s a b a c k f l a s h o v e r e v e n t . 4 . 5 . 2 S i m u l a t i o n c r i t e r i a S i m u l a t i o n o f c o m p l e t e l i n e m o d e l i s c a r r i e d o u t i n t w o m a j o r s t e p s . A t f i r s t s t e p , t h e m o d e l i s s i m u l a t e d w i t h o u t a r r e s t e r s f o r s e l e c t e d t h r e e ( 0 3 ) c r i t i c a l t o w e r g r o u n d i n g r e s i s t a n c e v a l u e s 9 n , 1 7 n a n d 6 2 n f o r b o t h 8 x 2 0 ) 1 s a n d 1 . 2 x 5 0 ) 1 S s u r g e w a v e f o r m s . I n t h e s e c o n d s t e p t h e m o d e l i s s i m u l a t e d w i t h s u r g e a r r e s t e r s w i t h t w o d i f f e r e n t a r r e s t e r c o n f i g u r a t i o n s f o r b o t h 8 x 2 0 ) 1 S a n d 1 . 2 x 5 0 ) 1 S s u r g e w a v e f o r m s . H o w e v e r t h e P a g e I 5 1 s i m u l a t i o n s w e r e c a r r i e d o u t f o r a b o v e t w o a r r e s t e r c o n f i g u r a t i o n s w i t h o n l y 6 2 0 t o w e r g r o u n d i n g r e s i s t a n c e w h i c h i s t h e w o r s t c a s e o u t o f t h e s e l e c t e d t h r e e v a l u e s . F o r a l l s i m u l a t i o n s t h e l i g h t n i n g s u r g e c u r r e n t w a s i n j e c t e d o n t o p o f t h e T o w e r M ( M i d d l e t o w e r a s s h o w n i n t h e F i g u r e 3 . 1 ) . D e t a i l e d c r i t e r i a o f e a c h s i m u l a t i o n i n c l u d i n g t h e t o w e r g r o u n d i n g r e s i s t a n c e s e t t i n g a n d e x p e c t e d c o n t r o l s i g n a l o u t p u t d a t a t o b e r e c o r d e d a r e d e s c r i b e d i n t h e T a b l e 4 . 3 a n d T a b l e 4 . 4 . S t e p 1 : S i m u l a t i o n o f t h e m o d e l w i t h o u t a r r e s t e r p r o t e c t i o n T o w e r S i m u l a t i o n S u r g e g r o u n d i n g E x p e c t e d p h a s e s w h e r e t h e c o n t r o l s i g n a l n u m b e r w a v e f o r m r e s i s t a n c e o u t p u t d a t a t o b e r e c o r d e d ( 0 ) O J 8 x 2 0 ! - l s 9 T o w e r - M , C i r c u i t - ] a n d C i r c u i t - 2 A l l s i x ( 0 6 ) p h a s e s 0 2 8 x 2 0 ! - l s 1 7 T o w e r - M , C i r c u i t - ! a n d C i r c u i t - 2 A l l s i x ( 0 6 ) p h a s e s 0 3 8 x 2 0 ! - l s 6 2 T o w e r - M , C i r c u i t - ] a n d C i r c u i t - 2 A l l s i x ( 0 6 ) p h a s e s 0 4 1 . 2 x 5 0 ! - l s 9 T o w e r - M , C i r c u i t - ] a n d C i r c u i t - 2 A l l s i x ( 0 6 ) p h a s e s 0 5 1 . 2 x 5 0 ! - l s 1 7 T o w e r - M , C i r c u i t - ! a n d C i r c u i t - 2 A l l s i x ( 0 6 ) p h a s e s 0 6 1 . 2 x 5 0 ! - l s 6 2 T o w e r - M , C i r c u i t - ] a n d C i r c u i t - 2 A l l s i x ( 0 6 ) p h a s e s T a b l e 4 . 3 - D e t a i l e d s i m u l a t i o n c r i t e r i a f o r S t e p - I S t e p 2 : S i m u l a t i o n o f t h e m o d e l w i t h a r r e s t e r p r o t e c t i o n S i m u l a t i o n T o w e r S u r g e E x p e c t e d p h a s e s w h e r e t h e c o n t r o l s i g n a l g r o u n d i n g n u m b e r w a v e f o r m o u t p u t d a t a t o b e r e c o r d e d r e s i s t a n c e ( 0 ) W i t h s i n g l e ( O J ) a r r e s t e r i n s t a l l e d a t T O P p h a s e o f c i r c u i t - 2 o f T o w e r - M 0 7 8 x 2 0 ! - l s 6 2 T o w e r - M , C i r c u i t - ] a n d C i r c u i t - 2 A l l s i x ( 0 6 ) p h a s e s 0 8 1 . 2 x 5 0 ! - l s 6 2 T o w e r - M , C i r c u i t - ! a n d C i r c u i t - 2 A l l s i x ( 0 6 ) p h a s e s P a g e I 5 2 W i t h t w o ( 0 2 ) a r r e s t e r s e a c h o n e i n s t a l l e d a t T O P p h a s e o f c i r c u i t - ] & 2 o f T o w e r - M 0 9 8 x 2 0 ! l s 6 2 T o w e r - M , C i r c u i t - ! a n d C i r c u i t - 2 A l l s i x ( 0 6 ) p h a s e s 1 0 1 . 2 x 5 0 ! l s 6 2 T o w e r - M , C i r c u i t - ! a n d C i r c u i t - 2 A l l s i x ( 0 6 ) p h a s e s I I 8 x 2 0 ! l s 6 2 T o w e r - L I , C i r c u i t - ! a n d C i r c u i t - 2 A l l s i x ( 0 6 ) p h a s e s 1 2 1 . 2 x 5 0 ! l s 6 2 T o w e r - L 1 , C i r c u i t - ! a n d C i r c u i t - 2 A l l s i x ( 0 6 ) p h a s e s T a b l e 4 . 4 - D e t a i l e d s i m u l a t i o n c r i t e r i a f o r S t e p - 2 4 . 5 . 3 P r o j e c t s i m u l a t i o n s e t t i n g s F o r e a c h s i m u l a t i o n r u n s , f o l l o w i n g p r o j e c t s i m u l a t i o n s e t t i n g s w e r e a s s i g n e d . I . D u r a t i o n o f e a c h r u n = 7 0 ! l s 2 . S o l u t i o n t i m e s t e p = 0 . 1 ! l S 3 . C h a n n e l p l o t s t e p = 0 . 1 ! l S P a g e I 5 3 C h a p t e r - 5 R e s u l t s a n d a n a l y s i s 5 . 1 I n t r o d u c t i o n T h i s c h a p t e r p r o v i d e s t h e r e s u l t s o f e a c h s i m u l a t i o n c a r r i e d o u t a s p e r t h e d e t a i l e d s i m u l a t i o n c r i t e r i a 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 . T h e r e s u l t s a r e p r o v i d e d i n t h i s c h a p t e r a s t h e s a m e s e q u e n c e o f s i m u l a t i o n s c a r r i e d o u t a s p e r t h e T a b l e 4 . 3 a n d T a b l e 4 . 4 . T h e r e s u l t s o f e a c h s i m u l a t i o n a r e g i v e n b y a n o u t p u t d a t a f i l e w h i c h c o n t a i n s a s e t o f b i n a r y v a l u e s g i v i n g t h e o c c u r r e n c e o f b a c k f l a s h o v e r e v e n t s f o r e a c h s i m u l a t i o n r u n . T h e b i n a r y v a l u e " 0 " m e a n s a n o c c u r r e n c e o f a b a c k f l a s h o v e r e v e n t w h e r e a s " I " g i v e s t h e n e g a t i o n o f t h a t e v e n t . A t y p i c a l v i e w o f a n o u t p u t d a t a f i l e i s s h o w n i n t h e F i g u r e 5 . 1 . A s s h o w n i n t h e f i g u r e 5 . 1 , t h e c o l u m n s M B R K I I , M B R K \ 2 a n d M B R K \ 3 g i v e s t h e b a c k f l a s h o v e r e v e n t s o c c u r r e d o n T O P , M I D D L E a n d B O T T O M p h a s e s o f c i r c u i t - ! o f T o w e r - M r e s p e c t i v e l y . S i m i l a r l y t h e c o l u m n s M B R K 2 1 , M B R K 2 2 a n d M B R K 2 3 g i v e s t h e b a c k f l a s h o v e r e v e n t s o c c u r r e d o n T O P , M I D D L E B O p t i m i z a t i o n O u t p u t V l e c w < : t - [ t o w e c r L 1 M e < : s t e r s 2 o h m 6 2 ] 3 0 0 2 4 0 0 3 5 0 0 4 6 0 0 5 7 ! ) 0 6 B O 0 7 9 0 0 3 1 0 0 0 9 1 1 0 0 l O 1 2 0 0 l l ! 3 0 0 1 2 ! 4 0 0 1 3 1 5 0 0 1 4 l i j O 0 1 5 1 7 0 0 1 6 1 8 0 0 1 7 1 9 0 0 1 8 2 0 0 I J 1 9 3 0 1 0 2 0 4 0 1 0 2 1 s o 1 0 2 2 6 0 1 0 2 3 7 0 J O 2 4 8 0 1 0 2 5 9 ( 1 1 0 6 2 I ( , : £ l 6 2 I 6 2 I 6 2 0 6 2 0 6 2 0 6 2 0 6 2 0 6 2 0 6 2 0 6 2 0 6 2 0 6 2 0 6 2 ( l 6 2 0 6 2 0 6 2 0 6 2 6 2 6 2 6 2 1 6 2 0 h / 0 6 2 0 .1J4~.13~~-~.? . . _[r~~R,;~I3,:.,!.r~-~~?l.::.cl ~~r:?.?.,:.:..l~! D t 3 B f t ' E : : E 4 U ) : ) ( 1 os~~~~5~R$~gsg~@9$~$~8S~S.~~8R$?8~~g~~8 ~--~--~--MNN~NNNNNN~MM _ _ _ _ M P h a s e a n g l e [ D e g r e e s ] F i g u r e 5 . 3 - R e s u l t s o f s i m u l a t i o n n o . 4 - t - C r U , T O P - H - C l \ U v 1 1 D ~((tl. . . I O P - - C c ! ? , M I G f r o m 2 0 0 ° t o 3 4 0 ° . ( S e e F i g u r e s 5 . 2 , 5 . 3 , 5 . 4 , 5 . 5 a n d 5 . 7 ) F u r t h e r f r o m t h e a b o v e r e s u l t s h o w s t h a t w h e n t h e p h a s e a n g l e c h a n g e s f r o m 2 0 0 ° t o 2 1 0 ° t h e b a c k f l a s h o v e r e v e n t a l s o c h a n g e s f r o m T O P p h a s e o f c i r c u i t - 0 2 t o T O P p h a s e o f t h e o t h e r c i r c u i t a t 4 0 k A s u r g e c u r r e n t . 1 J l l 1L~) ~ 8 U ; : t ~ ( > n E ~ E · c . 4 ( ! ~ . / l ) ( ) B a c k f l a s h o v e r m i n i m u m c u r r e n t v a r i a t i o n o f t o w e r M w h e n R f = 1 7 0 ( f o r 8 / 2 0 u S s u r g e ) o s R ~ ~ ~ ~ ~ ~ g § ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ 3 ~ ~ ~ P h • s e a n g l e [ D e g r e e s ) F i g u r e 5 . 4 - R e s u l t s o f s i m u l a t i o n n o . 2 - + - V t 1 . . 1 0 P ~(ct1,M!D . . . . , . . . . u u . W P --ccu.~~ID P a g e I 5 6 A s p e r t h e r e s u l t s s h o w n i n t h e F i g u r e 5 . 6 ( S i m u l a t i o n n o . 3 ) i t s h o w s t h a t t h e M I D D L E p h a s e s a n d t h e T O P p h a s e s o f b o t h c i r c u i t s a r e h a v i n g t h e s a m e l o w e s t b a c k f l a s h o v e r m i n i m u m c u r r e n t a t 6 2 0 f o r 8 x 2 0 f l s s u r g e . H o w e v e r t h e T O P p h a s e s o f ! 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B a c k f l a s h o v e r m i n i m u m c u r r e n t v a r i a t i o n o f t o w e r M w h e n R f = 6 2 0 ( f o r 8 / l O u S s u r g e ) f ~;.llj::::::;::::~::::\:::::~ E E : : ; n ~ .~U ) d 1 0 =s~~i~3Ei~8S2S~~SRiS8S~~iSSRi?8SEai9S . - < r - < . . . . . . , . - - - . . - < . . - < . . . . . . . - < . . . . . , . . . . . . N " " ' - K N t " ' > l I " ' < -"<.~ N N , . . . . , ~ ~ " ' < " i ,.,~. M M P h a s e a n g l e [ D e g r e e s ] F i g u r e 5 . 6 - R e s u l t s o f s i m u l a t i o n n o . 3 - + - C ( t L T O P - e - c c : . l , M l D ---.c~_tt, T O P - t ( t ) , M 1 D T h e r e i s n o b a c k f l a s h o v e r e v e n t s w e r e r e c o r d e d i n t h e B O T T O M p h a s e s i n a n y o f t h e s i m u l a t i o n s d o n e w i t h o u t a r r e s t e r m o d u l e . T h e r e f o r e i t i s c l e a r t h a t t h e T O P a n d M I D D L E p h a s e a r e m o r e l i k e l y t o h a v e b a c k f l a s h o v e r s t h a n a n y o f t h e B O T T O M p h a s e s . 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F e w b a c k f l a s h o v e r e v e n t s w e r e r e c o r d e d i n t h e M I D D L E 1 B U 1 t~r~ : ; ( I W ~ ~!N ~ ! 1 w E • B a c k f l a s h o v e r m i n i m u m c u r r e n t v a r i a t i o n o f t o w e r M w i t h s i n g l e a r r e s t e r a t T O P p h a s e o f c i r c u i t - 2 , w h e n R f = 6 2 C l { F o r 8 / 2 0 u S s u r g e ) . . . . . . . . I w ~ " ' · ' . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . _ _ . . . . . . . . . . . . i . . . . . . r + .~!.) ) { ' ' 0 ~ s ~ s ~ ~ 3 ~ 8 ~ § ~ 3 : s ~ ] ~ § ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ 3 ~ ~ ~ P h a s e a n g l • [ D e g r e e s ] F i g u r e 5 . 8 - R e s u l t s o f s i m u l a t i o n n o . 7 - + - ( d t l O i > - t t - U U . M I O P a g e I 5 8 p h a s e o f t h e c i r c u i t 2 f o r o n l y 8 x 2 0 f l S s u r g e w a v e f o r m a t p h a s e a n g l e 0 ° a n d f r o m 3 2 0 ° t o 3 6 0 ° a t 1 8 0 / 1 9 0 k A . T h e l o w e s t b a c k f l a s h o v e r m i n i m u m c u r r e n t o f t h e T O P p h a s e o f t h e c i r c u i t - 0 I i s a b o u t 5 0 k A w h e n t h e p h a s e a n g l e r a n g i n g f r o m 2 0 0 ° t o 3 4 0 ° . ! ) 2 B a c k f l a s h o v e r m i n i m u m c u r r e n t v a r i a t i o n o f t o w e r M w i t h s i n g l e a r r e s t e r a t T O P p h a s e o f c i r c u i t - 2 , w h e n R f = 6 2 f l ( F o r l , 2 / 5 0 u S s u r g e ) i > C I • t • • • t • • t t • t • t • • • • t • ~ \ C , 1 : e { > · 1 a E S J " E : s ~ . . o : ; ; - 1 B - 1 6 . 1 • . 1 c 2 ~ ~ ~ 5 ~ R ~ g 3 8 ~ ~ ~ ~ 8 R g ? 8 S ~ S ~ 9 £ g g g 8 g ~ Q ~ ~ 8 - - . - . - - < . - . . - < - r - . - l , . . . . . < . - ( " , 1 ( - . , l ( ' < N . . . . . . . . NNN~~M-"">"""'"~"'"'1'¢'; P h a s e a n g l e [ D e g r e e s ] F i g u r e 5 . 9 - R e s u l t s o f S i m u l a t i o n n o . 8 - . - ( O t . T O P H o w e v e r t h e b a c k f l a s h o v e r s a r e r e c o r d e d i n t h e T O P p h a s e o f c i r c u i t - 0 I a n d t h e M I D D L E p h a s e o f c i r c u i t - 0 2 o n l y . T h e r e f o r e i t i s c l e a r l y s h o w s t h a t t h e a r r e s t e r i n s t a l l e d i n t h e T O P p h a s e o f t h e c i r c u i t - 0 2 p r o v i d e s t h e p r o t e c t i o n a g a i n s t b a c k f l a s h o v e r s a s f o l l o w s . I . P r o t e c t s t h e s a m e p h a s e ( i . e . T O P p h a s e o f c i r c u i t - 0 2 ) u p t o 2 0 0 k A 2 . P r o t e c t s t h e T O P p h a s e o f c i r c u i t - 0 I u p t o 5 0 k A 3 . B O T T O M a n d M I D D L E p h a s e s o f c i r c u i t - 0 1 u p t o 2 0 0 k A 4 . B O T T O M p h a s e o f c i r c u i t - 0 2 u p t o 2 0 0 k A a n d M I D D L E p h a s e u p t o 1 8 0 k A P a g e I 5 9 A r r e s t e r c o n f i g u r a t i o n - 2 : T w o ( 0 2 ) a r r e s t e r s e a c h i n s t a l l e d o n T O P p h a s e o f c i r c u i t - I a n d c i r c u i t - 2 o f T o w e r - M A s p e r t h e r e s u l t s o f s i m u l a t i o n n o . 0 9 a n d 1 0 ( w i t h t w o a r r e s t e r c o n f i g u r a t i o n ) , i t i s c l e a r l y n o t i c e d t h a t t h e r e i s n o b a c k f l a s h o v e r s o c c u r s o n a n y p h a s e o f t h e T o w e r - M 2 0 U J g ( " \ : l b l i § , , l l E : s ( , [ ; : E 4 1 ! ) U B a c k f l a s h o v e r m i n i m u m c u r r e n t v a r i a t i o n o f t o w e r L 1 w h e n t w o ( 2 ) a r r e s t e r s a t T O P p h a s e s o f C c t - 1 & 2 o f T o w e r · M w i t h R f = 6 2 0 ( F o r 8 / 2 0 u S s u r g e ) ~ " ' \ o~~~~~£gg~gs~~~9S~ggg~~g~~8R~ggs~Q~9S ---~-~----NNNNN_N_NNM~~M~-M Phas~ a n g l e [ D e g r e e s ] F i g u r e 5 . 1 0 - R e s u l t s o f S i m u l a t i o n n o . 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P a g e I 6 1 C h a p t e r - 6 C o n c l u s i o n a n d r e c o m m e n d a t i o n s 6 . 1 C o n c l u s i o n A l m o s t a l l s i m u l a t i o n s c a r r i e d o u t w i t h o u t a r r e s t e r p r o t e c t i o n ( S t e p - I ) s h o w s t h a t t h e T O P p h a s e o f e a c h c i r c u i t h a s a l o w e r b a c k f l a s h o v e r m i n i m u m c u r r e n t v a l u e c o m p a r e d t o t h e r e s t o f t h e p h a s e s . T h e r e f o r e i t c a n b e c o n c l u d e d t h a t t h e T O P p h a s e s o f e a c h c i r c u i t a r e m o r e l i k e l y t o h a v e b a c k f l a s h o v e r s c o m p a r e d t o t h e r e s t o f t h e p h a s e s . A s p e r t h e r e s u l t s g i v e n f o r t h e s i m u l a t i o n s , c a r r i e d o u t w i t h s i n g l e a r r e s t e r i n s t a l l e d i n T O P p h a s e o f c i r c u i t - 0 2 ( S t e p - 2 ) g i v e s n o p r o t e c t i o n f o r t h e T O P p h a s e o f t h e o t h e r c i r c u i t b e y o n d 5 0 k A s u r g e s . H o w e v e r a l l p h a s e s o f t h e c i r c u i t - 0 2 i s p r o t e c t e d u p t o 2 0 0 k A e x c e p t t h e M I D D L E p h a s e w h i c h i s o n l y u p t o 1 8 0 k A . A c c o r d i n g t o t h e r e s u l t s o f t h e s i m u l a t i o n s c a r r i e d o u t w i t h t w o ( 0 2 ) a r r e s t e r c o n f i g u r a t i o n , i t i s o b s e r v e d t h a t t h e p r o t e c t i o n a g a i n s t b a c k f l a s h o v e r s i s p r o v i d e d o n l y f o r t h e t o w e r i n s t a l l e d w i t h t w o ( 0 2 ) a r r e s t e r s a t i t s T O P p h a s e s . F u r t h e r i t i s n o t e d t h a t t h e a d j a c e n t s i d e t o w e r s a r e n o t p r o t e c t e d a g a i n s t b a c k f l a s h o v e r s b y t h e a r r e s t e r s i n s t a l l e d o n t h e t o w e r a t t h e m i d d l e . T h e r e f o r e e a c h t o w e r n e e d s t o b e p r o t e c t e d i n d i v i d u a l l y . 6 . 2 R e c o m m e n d a t i o n s A c c o r d i n g t o t h e c o n c l u s i o n s d e s c r i b e d i n t h e p r e v i o u s s e c t i o n , i n i t i a l l y i t c a n b e r e c o m m e n d e d t o i n s t a l l 0 2 n o s . o f T r a n s m i s s i o n L i n e A r r e s t e r s ( T L A s ) e a c h o n T O P p h a s e s o f e a c h t o w e r f r o m t o w e r n o . 3 3 t o 5 0 a n d t o w e r n o . 8 5 - 9 5 w h e r e t h e m o s t i n s u l a t o r d a m a g e s a r e r e c o r d e d . T h e s e l e c t i o n a n d m a t c h i n g o f m e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f T r a n s m i s s i o n L i n e A r r e s t e r s t o t h e s y s t e m c h a r a c t e r i s t i c s a n d m a i n t e n a n c e r e q u i r e m e n t s h a s t o b e d o n e t o c o m p l e t e t h e f u l l s e l e c t i o n p r o c e d u r e a s d e s c r i b e d i n t h e s e c t i o n 3 . 4 . P a g e I 6 2 R e f e r e n c e s [ 1 ] V l a d i m i r A . R a k o v a n d M a r t i n A . U m a n , L i g h t n i n g P h y s i c s a n d E f f e c t s , C a m b r i d g e : C a m b r i d g e U n i v e r s i t y P r e s s , 2 0 0 3 , [ E - B o o k ] A v a i l a b l e : h t t p : / / w w w . c a m b r i d g e . o r g , [ A c c e s s e d : 2 2 n d S e p t e m b e r 2 0 1 0 ] [ 2 ] A . M o r c h e d , B . G u s t a v s e n , M . T a r t i b i , A U n i v e r s a l L i n e M o d e l f o r A c c u r a t e C a l c u l a t i o n o f E l e c t r o m a g n e t i c T r a n s i e n t s o n O v e r h e a d L i n e s a n d C a b l e s , P a p e r P E - 1 1 2 - P W R D - 0 - 1 1 - 1 9 9 7 [ 3 ] J . R o h a n L u c a s , H i g h V o l t a g e E n g i n e e r i n g , R e v i s e d e d i t i o n 2 0 0 1 , O p e n U n i v e r s i t y o f S r i L a n k a , O p e n U n i v e r s i t y P r e s s , 2 0 0 1 [ 4 ] K . S . S . K u m a r a , " L i g h t n i n g P e r f o r m a n c e o f S r i L a n k a n T r a n s m i s s i o n L i n e s : A C a s e S t u d y " , M . S c . t h e s i s , U n i v e r s i t y o f M o r a t u w a , K a t u b e d d a , S r i L a n k a , 2 0 0 9 [ 5 ] G i - i c h i I k e d a , " R e p o r t o n L i g h t n i n g C o n d i t i o n s i n C e y l o n , a n d M e a s u r e s t o R e d u c e D a m a g e t o E l e c t r i c a l E q u i p m e n t " , A s i a n P r o d u c t i v i t y P r o j e c t T E S / 6 8 , 1 9 6 9 [ 6 ] E P R I , " H a n d b o o k f o r I m p r o v i n g O v e r h e a d T r a n s m i s s i o n L i n e L i g h t n i n g P e r f o r m a n c e " , E P R I , P a l o A l t o , C A : 2 0 0 4 . 1 0 0 2 0 1 9 [ 7 ] M . K i z i l c a y , C . N e u m a n n , " B a c k F l a s h o v e r A n a l y s i s f o r I I O k V L i n e s a t M u l t i - C i r c u i t O v e r h e a d L i n e T o w e r s " , I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n P o w e r S y s t e m s T r a n s i e n t s ( I P S T ' 0 7 ) i n L y o n , F r a n c e o n J u n e 4 - 7 , 2 0 0 7 [ 8 ] C a n a d i a n / A m e r i c a n E M T P U s e r G r o u p : A T P R u l e B o o k , D i s t r i b u t e d b y t h e E u r o p e a n E M T P - A T P U s e r s G r o u p A s s o c i a t i o n , 2 0 0 5 [ 9 ] C h i s h o l m , W . A . ; C h o w , Y . L . ; S r i v a s t a r a , K . D : " T r a v e l T i m e o f T r a n s m i s s i o n T o w e r s " , I E E E T r a n s . o n P o w e r A p p . A n d S y s t e m s , V o l . P A S - 1 0 4 , N o . 1 0 , S . 2 9 2 2 - 2 9 2 8 , O c t o b e r 1 9 8 5 [ I 0 ] C I G R E W G 3 3 - 0 I : " G u i d e t o P r o c e d u r e s f o r E s t i m a t 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 T r a n s m i s s i o n L i n e s " , T e c h n i c a l B r o c h u r e , O c t o b e r 1 9 9 1 . [ I I ] M a n i t o b a H V D C R e s e a r c h C e n t r e , " A p p l i c a t i o n s o f P S C A D / E M T D C " , A p p l i c a t i o n G u i d e 2 0 0 8 , M a n i t o b a H V D C R e s e a r c h C e n t r e I n c . , C a n a d a [ 1 2 ] I E E E W o r k i n g G r o u p 3 . 4 . 1 I , " M o d e l i n g o f M e t a l O x i d e S u r g e A r r e s t e r s , " I E E E T r a n s a c t i o n s o f P o w e r D e l i v e r y , V o l . 7 , N o . I , J a n u a r y 1 9 9 2 , p p 3 0 2 - 3 0 9 [ 1 3 ] A B B , " H i g h V o l t a g e S u r g e A r r e s t e r s " B u y e r ' s G u i d e 2 0 0 8 - 0 8 , E d . 6 , A B B A B , S w e d e n P a g e I 6 3 A n n e x - 1 P r e s e n t T r a n s m i s s i o n s y s t e m o f S r i L a n k a 1 : U O k V J . . l M 1 3 l k V : U n d e r g r o u l l d C l h l e l J Z l r . V U l l e 1 3 2 k V U l l e ( 1 1 0 1 i l l o p e n l l o e ) • l 2 G / U l l e V S u b S t l t l o l l 1 i J 1 3 2 l : V G S Q H y d r o P o w e r S W : i o n e T I L e r m a l P o w u S t a t i o n • " - " " " " \ ~ ' c > . l . d » & . . . , . ' " " " : O Q Q~ . . . . . . . _ . . . . _ - l i l " " " " ' . . i i l - , _ . ' \ f l t n W . . _ , . . . . _ . ·~~,t.,"UJ. -~ l f ' U . i U . . . . . . . _ ( i i ' • • - U : t U f A l ' " ' ' \ " ' " y - . , . , . , . . . . . . . f ' T ( . . U . . ~ fa~· . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . -..~~-"'"" > i l ' ' Q ~~AW'n'-4 ~ . . , . , . . . D l . 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C o m m e n t Y E S A 3 A n n e x - 4 : A t y p i c a l t r a n s m i s s i o n t o w e r u s e d i n t h e s e l e c t e d t r a n s m i s s i o n l i n e r 9 t 1 5 r r I 3 5 , 7 f " ' GW.l--10.9~ C i r c u i t 1 t ----8.2~ G W . 2 E S Q f " ' 2 3 : 6 f " ' 1 7 ; 3 f " ' A 4 A n n e x - 5 : T o w e r s c h e d u l e T o w e r n u m b e r S p a n / L i n e S e c t i o n T o w e r t y p e T o w e r l e n g t h ( m ) h e i g h t ( m ) I t o 3 2 I 2 , 0 8 8 3 3 3 3 3 I O I 3 4 . 8 8 5 3 4 4 5 8 1 0 3 3 4 . 7 I O 3 5 2 8 5 l O L 3 5 . 7 4 1 3 6 I 7 4 1 0 L 3 5 . 7 4 1 3 7 4 8 8 I O L 3 5 . 7 4 I 3 8 2 3 2 I O I 3 4 . 8 8 5 3 9 2 5 8 I O I 3 4 . 8 8 5 4 0 4 3 8 I 0 6 + 6 4 0 . 7 I O 4 I 2 8 7 I 0 6 + 6 4 0 . 7 I O 4 2 5 0 6 I O L + 9 4 4 . 7 4 I 4 3 2 9 7 I 0 3 + 3 3 7 . 7 I 0 4 4 I 8 6 1 0 L + 6 4 1 . 7 4 I 4 5 3 7 6 I O L 3 5 . 7 4 1 4 6 5 6 8 1 0 1 + 6 4 0 . 8 8 5 4 7 2 3 9 I O L + 3 3 8 . 7 4 1 4 8 2 6 I 1 0 6 3 4 . 7 I 0 4 9 3 2 9 1 0 L + 6 4 1 . 7 4 I 5 0 2 6 1 1 0 L + 9 4 4 . 7 4 I 5 0 t o 8 4 1 1 , 9 9 9 8 5 1 8 1 1 0 6 3 4 . 7 I O 8 6 6 8 2 1 0 I 3 4 . 8 8 5 8 7 4 7 4 I O I 3 4 . 8 8 5 8 8 4 2 2 I O I + 3 3 7 . 8 8 5 8 9 3 5 6 1 0 1 3 4 . 8 8 5 9 0 5 1 3 1 0 L 3 5 . 7 4 I 9 1 2 8 1 1 0 3 3 4 . 7 I O 9 2 6 9 2 I O I 3 4 . 8 8 5 9 3 3 9 7 1 0 I 3 4 . 8 8 5 9 4 4 7 7 1 0 1 3 4 . 8 8 5 9 5 4 7 7 I O I 3 4 . 8 8 5 9 5 t o 2 0 6 3 5 , 5 2 5 - - - · · · - A S A n n e x - 6 G r o u n d i n g R e s i s t a n c e v a r i a t i o n o f t o w e r s d u e t o s o i l i o n i z a t i o n e f f e c t 1 8 l~ 1 6 ( ! 1 1 l l ~ u o ~ ~ l c \ 0 . , ~ " ' ~ d ( l ~ 5 6 { l i 3 4 0 l . 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R a t e d E a r t h i n g D u r a - V o l t a g e V o l t a g e , U r t i o n U m ( k V ) ( k V } r : : : : f f p r · 1 i 1 1 P < 1 c : . 1 n n , r , P v I I , I I [ H • + : t i ' • J t : i . . . . - . . , ; . . . . . . . . . ~::. 1 ~::, . . ::.~ 1 /~:3 . : : . 0 . 7 2 X I . . J m I I N o : : ) n o 1 1 e · : : : t i ' - H : ' , . · 1 u ~) · 1 i I i . . : : I . _ . : : U . S J 1 X I J m ' 0 . X U m ( E X U f v l n ~.J o 1 - 1 - t : i f f t . : : c t i · . / ( : ? ~ 2 t - 1 : " 1 7 • J . : : . 1 . 1 1 X U m ~Jon-Fffecti·-/o - - : 2 r-~ : : ; ; 1 ? ( ) . . : 1 . : 2 ! ) X U m T a b l e A 7 - 3 : M i n i m u m a r r e s t e r r a t e d v o l t a g e s [ 1 3 ] A 7 - 2 S y s t e m p a r a m e t e r s f o r U w l a n d U w s , L i g h t n i n g w i t h s t a n d v o l t a g e o f t h e l i n e U w l = 1 , 0 5 0 k V S w i t c h i n g w i t h s t a n d v o l t a g e o f t h e l i n e U w s = 4 6 0 k V F o r i n s u l a t i o n c o - o r d i n a t i o n p u r p o s e s , c o n s i d e r t h e l i g h t n i n g i m p u l s e p r o t e c t i o n l e v e l ( U p ! ) a t 1 0 k A f o r U m S 3 6 2 k V a n d a t 2 0 k A f o r h i g h e r v o l t a g e s . S i m i l a r l y , t h e s w i t c h i n g i m p u l s e p r o t e c t i o n l e v e l s ( U p s ) f o r c o - o r d i n a t i o n p u r p o s e s r a n g e f r o m 0 . 5 k A ( f o r U m S 1 7 0 k V ) t o 2 k A ( f o r U m 2 : 3 6 2 k V ) . F r o m T a b l e A 7 - 5 , f o r P E X L I M Q a r r e s t e r s a t N o m i n a l D i s c h a r g e C u r r e n t I n = 1 O k A U p l U r = 2 . 3 5 0 a n d U p / U r = 1 . 9 8 1 T h e r e f o r e a r r e s t e r p a r a m e t e r s f o r U p 1 a n d U p s U p l = 2 . 3 5 0 * 1 8 0 k V = 4 2 3 k V U p s = 1 . 9 8 1 * 1 8 0 k V = 3 5 7 k V A r r e s t e r L i n e T y p e d i s c h a r g e c l a s s E X L ! t v l F i 2 F - " E X L H v 1 f l ( ) < - - r : - - . , . , , 1 r . . , , r 1 l ) I F ) E : X : L i t v · l ( ) , . , . , . . , t : l \ L J I ' I I 1 · , : , r : · E X L I [ \ i l P 4 H t : F · E : x u r v 1 P 4 E X U f v · J T [ : : ' ~) H~:: F ' L : X L . I f \ ; 1 T ( " ' : : ) E n e r g y N o r m a l c a p a b i l i t y a p p l i c a t i o n { 2 i m p u l s e s ) r a n g e ( U m } k J / k V ( U r ) s o 1 7 0 k \ / 5 1 : ; 1 7 0 k \ / 7 p 1 7 , . . , . . . 1 1 •":•1~ I · · ' o l 7 . 8 1 T ( J - 4 2 0 k \ / " " I J . o . 3 f 5 Z - : y ) I J l ' , \ 7 1 2 r , , - 2 5 5 0 k ' 1 • . . )~) . . . . - \ . 1 1 0 . S : 3 ( 3 2 - 5 5 0 k \ / 1 5 . 4 4 2 0 - 8 0 0 k \ i 1 S . 4 4~~o - n o o k \ t T a b l e A 7 - 4 : E n e r g y c a p a b i l i t y o f a r r e s t e r s [ 1 3 ] S t e p 4 : C a l c u l a t i o n o f p r o t e c t i o n m a r g i n s P r o t e c t i o n m a r g i n f o r l i g h t n i n g i m p u l s e s = { ( U w l / U p l ) - 1 } * 1 0 0 % = { ( I 0 5 0 / 4 2 3 ) - I } * 1 0 0 % = 1 4 8 % P r o t e c t i o n m a r g i n f o r s w i t c h i n g i m p u l s e s = { ( U w s / U p s ) - 1 } * 1 0 0 % = { ( 4 6 0 / 3 5 7 ) - 1 } * 1 0 0 % I A 7 - 3 l ' I 1 l A r r e s t e r T y p e F X I . . . I f v 1 r : : P l - : : X L . I t v l r : : F X L i f · v · 1 C • I I r : : ) r : . : · · : < t 1 r . , , , c · , . - . 1 • . . • . ' j . . : . . 1 E~XLitv1 r : : : . r = : · F : x u r v l F J f1:~; P r : x u r · · . ; l P E X L i t \ i l T N o m . I U p t ! U r U p i / U r I U p s / U r D i s - a t a t c h a r g e 1 0 k A p 2 0 k A p c u r r e n t O n ) 1 ( ) : 2 . . 5 9 0 · ; r - , r - : n r t 0 .r~ I 2 0 2 . 2 C ( J :~! . 4 1 o-,·~ · · t 2 n 1 · ' · • . . : . / ! ' 1 , ) c l · - , . _ , . - + J p \ p T a b l e A 7 - 5 : U p 1 a n d U p s r a t i o s f o r A B B a r r e s t e r s [ 1 3 ] = 2 9 % S u m m a r y o f s y s t e m a n d a r r e s t e r e l e c t r i c a l p a r a m e t e r s V O L T A G E U w 1 = l O S O k V U = 4 6 0 k V W 5 u p 1 = 4 2 3 k V U = 3 5 7 k V U = 2 4 5 k V p s I l l U = 1 8 0 k V r U = 1 4 4 k V c T a b l e A 7 - 6 : S u m m a r y o f s y s t e m a n d a r r e s t e r e l e c t r i c a l p a r a m e t e r s ' ~! · . . - . . . . : ~~ . . ~ N ' . , , , . ~· ' - · · A 7 - 4