直接闪电冲击变电站屏蔽比较研究外文翻译资料

Comparative Study on Substation Shielding

Due to Direct Lightning Strokes

Ab Halim Abu Bakar1*, Chia Kwang Tan1, Alyaa Zainal Abidin2, Pang Jack Khai2,

Hazlie Mokhlis2, Hazlee Azil Illias2

1University of Malaya Power Energy Dedicated Advanced Centre (UMPEDAC), Level 4, Wisma R amp; D, University

of Malaya, Jalan Pantai Baharu, Kuala Lumpur, Malaysia

2Department of Electrical Engineering, Faculty of Engineering, University of Malaya, Kuala Lumpur,

Malaysia

Email: *a.halim@um.edu.my

Received December 2013

Abstract

Malaysia is one of the many countries that experience high lightning related activities. In fact, according

to Malaysian Meteorological Department the Ground Flash Density (GFD) in Malaysia, it is

rated at the fifth place in the ten most lightning cities of the world, with a high keraunic level,

which is 240 thunderstorm days per year, and in other words, a Ground Flash Density (GFD) of

48.3 flashes per square kilometer per year. In the power systems, high keraunic level would contribute

to high possibility of power interruptions such as disruption, degradation, damage and

downtime. These outages would ultimately lead to revenue losses and reduction of network reliability.

These lightning related interruptions may be in terms of direct lightning strikes to the lines

or to the equipments in the substation. By the use of Mat Lab GUI (Graphic Users Interface), this

study presents a simple computer program which uses the electro-geometric model (EGM) for the

designing of substation shielding systems. The EGM uses the concept where the protection zone of

a lightning system lies within the radius where the upward channel initiates and propagates

through the air terminal to meet the downward leader. This interception point is called “the point

of discrimination” and is where the downward leader decides its final jump. The distance at which

the last jump occurs is known as the striking distance. With the use of the striking distance and the

mathematical equations developed by Young, Brown-Whitehead, IEEE-1992 (IEEE Tamp;D Committee

Equations) and IEEE-1995 (IEEE Substations Committee Equations). This project aimed to investigate,

understand and analyse the substation protection by means of masts and shield wires. The

analysis is extended to account for lightning protection provided by single mast to two masts as

well as from single shield wire to double shielding wires. The outcomes of these four equations

will be compared.

Keywords

Lightning; Electro-Geometric Model; Striking Distance; Substation Protection; Lightning

Protection; MATLAB

*CorrespondingA. H. Abu Bakar et al.

601

1. Introduction

Malaysia, as a tropical climate country, is situated in one of the highest keraunic region where 180 to 260 thunderstorm

days are recorded per year. It was also recorded that the flash density in Malaysia is within the region

of 40 - 50 flashes per square kilometer per year and certain areas up to 50 - 70 flashes per square kilometer per

year. High flash density would contribute to high possibility of power interruptions and the effects will be dependent

upon the extent of the stroke and the sensitivity of the equipment. The effect of the stroke can be graded

from minor to severe stages such as disruption of the equipment, which will cause data losses, data and software

corruption and false tripping. Degradation of the electronic equipment will shorten its lifetime and increase the

percentage of failures. High magnitude of lightning strokes can cause damages to the equipment and facilities

and hence, leads to downtime which causes losses of production and business opportunity.

As substation and transmission lines were installed, the protection issues of the facilities arises for if there

were no shielding against high magnitude of lightning stroke, possible insulation flashover, damage and failure

to major substation equipments and substation outage may happen. Since lightning stroke cannot be prevented,

researchers studied its characteristics and developed a number of mathematical models for protection against

lightning strokes. These models can be categorised into two classes which are Empirical Model and Electro-

Geometric Model (EGM). The Empirical Model is based on the concept that “the shielding device (Shielding

wires or masts) can intercept all lightning strokes to the protection device if it maintains a certain geometrical

relationship (seperation and differential height) to the protected object. Meanwhile, for the EGM, the lsquo;Protection

zone of a lightning protection system may be defined as the volume of space inside which an air termination

provides protection against a direct lightning strike by attracting the strike to itself”.

This study focuses on comparing and analyzing the outcomes of the four models of EGM with respect to different

critical current, protective equipment heights and area. A software program was developed to determine

the minimum height of the shielding wires and shielding masts for the purpose of substation lightning protection.

2. Electro-Geometric Model: Striking Distance Equations 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

直接闪电冲击变电站屏蔽比较研究

Ab Halim Abu Bakar1 *，Chia Kwang Tan1，Alyaa Zainal Abidin2，Pang Jack Khai2，Hazlie Mokhlis2，Hazlee Azil Illias2

马来亚大学电力能源专业高级中心（UMPEDAC），4级，Wisma研发，大学马来西亚，Jalan Pantai Baharu，吉隆坡，马来西亚2马来亚大学工程学院电气工程系，吉隆坡，Email: *a.halim@um.edu.myReceived December 2013

目录

马来西亚是经历高闪电相关活动的许多国家之一。事实上，根据到马来西亚气象部门的闪电密度（GFD）在马来西亚，它是在世界上十个最闪电城市中排名第五，具有高keraunic水平，这是每年240雷暴天，换句话说，地闪光密度（GFD）48.3闪光每平方公里每年。在电力系统中，高keraunic水平将有所贡献到诸如中断，降级，损坏等的功率中断的高可能性停机时间。这些中断将最终导致收入损失和网络可靠性的降低。这些与雷电有关的中断可以是对线路的直接雷击或变电站中的设备。通过使用Mat Lab GUI（图形用户界面），这研究提出了使用电几何模型（EGM）的简单计算机程序变电站屏蔽系统的设计。 EGM使用的概念，其保护区闪电系统位于向上通道开始和传播的半径内通过空中终端迎接下行领导。这个拦截点被称为“点的歧视“，是向下的领导者决定其最后跳跃的地方。距离最后一次跳跃称为击打距离。

委员会 本项目旨在调查，通过桅杆和屏蔽线了解和分析变电站保护。 扩展了分析以解决由单根桅杆向两根桅杆提供的防雷保护以及从单屏蔽线到双屏蔽线。 这四个方程的结果将进行比较。

关键词闪电; 电几何模型；打击距离；变电站保护；闪电保护；MATLAB；通讯。

如何引用本文：Abu Bakar，A.H.，et al。 （2014）直接闪电变电站屏蔽比较研究笔画。 电力与能源工程学报，2，600-611。 http://dx.doi.org/10.4236/jpee.2014.24081

1. 介绍马来西亚作为一个热带气候国家，位于最高的keraunic地区之一，其中180至260雷暴天记录每年。还记录了马来西亚的闪光密度在该区域内每年每平方公里40-50闪光，某些区域每平方公里每闪光高达50-70闪光年。高闪烁密度将有助于高功率中断的可能性，并且效果将是依赖的在行程的程度和设备的灵敏度。可以分级行程的效果从轻微到严重的阶段，如设备中断，这将导致数据丢失，数据和软件腐败和假跳闸。电子设备的退化会缩短其使用寿命并增加失败百分比。高的雷击幅度可能会损坏设备和设施并因此导致停机，导致生产和商业机会的损失。随着变电站和输电线路的安装，设施的保护问题出现，如果有没有屏蔽高量级的雷击，可能的绝缘闪络，损坏和故障到大变电站设备和变电站停运可能发生。由于不能防止雷击，研究人员研究了其特性并开发了一些防护数学模型闪电笔触。这些模型可以分为两类，即经验模型和电 - 几何模型（EGM）。经验模型基于这样的概念：“屏蔽装置（屏蔽电线或桅杆）可以拦截到保护装置的所有雷击，如果它保持某一几何形状关系（分隔和差分高度）到受保护对象。同时，对于EGM，“保护防雷系统的区域可以被定义为空中终端的空间体积通过吸引罢工本身来提供防止直接雷击的保护“。本研究集中于比较和分析EGM的四个模型相对于不同的结果临界电流，保护设备高度和面积。开发了一个软件程序来确定屏蔽线和屏蔽桅杆的最小高度，用于变电站防雷的目的。

2.电几何模型：醒目距离方程EGM使用这样的概念，其中闪电系统的区域位于半径内向上通道启动并通过空中终端传播，以满足[1] [2]。的拦截点被称为“歧视点”，并且是向下领导者违背其最后跳跃的地方。最后一跳发生的行为的距离称为击打距离。总之，打击距离是阶梯式领导与领导决定攻击的对象之间的距离。 EGM模型在本研究中使用的是Young，Brown-White头，IEEE-1992和IEEE-1995。他们的概念是同样，它使用打击距离作为基本但具有自己的个别数学方程。理论基于Lee的滚动球体概念和Andrew R Hileman，“电力系统的绝缘协调，第8章，屏蔽变电站“[3]。当超过“空气击穿”点时，阶梯式领导开始向地面缓慢传播并且它将决定它想要打击什么，因为它更接近地球表面。最后的跳跃发生在“该点其中领导者想要攻击的对象引发返回行程[4]。距离其也称为“辨别点”的最后跳跃被称为“打击距离”[5]。击打距离的图示如图1所示。与传输保护不同，保护对象的高度和大小改变，因此将是高度的屏蔽线和桅杆。因此，三个撞击距离被考虑到设计：a）到屏蔽线或桅杆的冲击距离，b）到被保护物体的撞击距离，c。c）到地面的撞击距离，g r。三者之间的关系是：rs =ｒs rg（1）ｒｃ＝ｒｃｒｇ2）其中ｒｓ和ｒｃ是指到屏蔽线或桅杆的撞击距离和撞击距离的系数到保护对象。

2.1。 杨氏方程

Young用于计算到地面的打击距离的方程g r和系数ｒs和ｒc是：

2.2。 棕白色头-CIGRE方程Brown-White头和CIGRE采用的公式是：2.3。 IEEE-1992-IEEE T＆D委员会等式IEEE-1992-IEEE T＆D委员会提出的数学模型是：

2.4。 IEEE-1995-IEEE变电站委员会等式IEEE-1995-IEEE分站委员会生成的数学方程为：k = 1对于电线的行程k = 1.2对于桅杆的冲程I的所有幅度都在kA，而g r，s r，c r，sgamma;，cgamma;，h和y以米为单位。

3.软件开发：变电站屏蔽选择MATLAB？（MATrix LABoratory）作为用于仿真的计算机编程软件的变电站屏蔽。为了进行比较研究，设定了一般标准。 模型将在两种不同的情况下进行模拟设计电流（Ic）：3 kA和5 kA，这将是我们使用的额定电压的设计电流传输系统是：132 kV和275 kV。 除此之外，保护区或对象将被设置为具有长度和宽度为6 mtimes;6 m。 对于物体的高度，其将从3m变化到18m并且距离桅杆或电线与被保护物体之间的距离应等于或大于2米。 表1显示了参数对于模拟4.结果和讨论模拟的目的是比较每个模型的结果与不同的关键设计电流和受保护对象由于直接雷击。它还提供了比较屏蔽高度的桅杆和不同型号的电线使用。对于第一部分，设计电流Ic = 3kA的结果对于在单和两个设计中使用的四个模型（Young的，CIGRE，IEEE-92和95）进行讨论桅杆以及单和双线屏蔽。在第二部分中，设计电流Ic = 5的结果kA将被讨论。

4.结果和讨论
模拟的目的是比较每个模型的结果与不同的关键设计电流和受保护对象由于直接雷击。 它还提供了比较屏蔽高度的桅杆和不同型号的电线使用。 对于第一部分，设计电流Ic = 3kA的结果对于在单和两个设计中使用的四个模型（Young的，CIGRE，IEEE-92和95）进行讨论桅杆以及单和双线屏蔽。 在第二部分中，设计电流Ic = 5的结果kA将被讨论．

4.1。设计电流为3 kA和5 kA的单母线屏蔽仿真结果

在表2中示出了针对3kA和5kA的设计电流的单桅杆屏蔽中使用的值计算了四个模型的击地距离rg：Young = 38.37m，CIGRE = 14.59m，对于Ic = 3kA，分别为IEEE-92 = 18.36m和IEEE-95 = 19.61m。对于Ic = 5 kA，冲击距离为ground，rg分别为：Youngs = 31.71m，CIGRE = 21.40，IEEE-92 = 25.62m和IEEE-95 = 27.33m。到地面的撞击距离rg是非常重要的，因为它代表最大有效高度或限制了屏蔽桅杆或电线的有效保护变电站的设备，因此，它是每个模型的限制提供有用的桅杆和电线高度屏蔽雷击。此外，它还影响保护区的半径（到被保护对象的打击距离，rc）。特别当使用单和双桅杆以及单线屏蔽三种类型的屏蔽时受地面或rg影响。因此，需要保护高度超过rg值的那些对象暴露于潜在的雷击。至于模拟结果，在四个模型中使用的方程式将限制在rg，那些等于rg的那些保护高度将被认为是对相应受保护的无效屏蔽设备。通过比较Ic = 5kA的rg和Ic = 3kA的rg，Ic = 5kA具有更大的rg。这是由于其较高的设计电流（Ic）和从给定公式。所有四个模型的rg直接相关中使用的屏蔽类型[3] 相关Ic的值，因此，Ic的值越高，rg越高。从表3中，当Ic = 3 kA时，结果表明Young模型可以成功保护设备从高度变化从3 m到16 m，而其他模型不适用于保护。这是因为Young的模型在rg中具有最大的值，因此，可以提供更高的有效桅杆高度物体以及受保护设备的保护区域的半径（对物体的打击距离，rc）因为rc =gamma;crg。同时，对于Ic = 5kA，杨氏模型显示从y = 3m的所有高度的有效屏蔽到18 m，而CIGRE模型只能为物体的高度提供有效的保护y =3mu;m和4mu;m。 IEEE-92和95都可以为物体的高度提供从y = 3 m到7 m的保护。通过比较Ic = 3kA和Ic = 5kA之间的结果，可以注意到当Ic = 5kA时，较短的桅杆以保护相同尺寸的物体。这是由于其较大的rg值，将增加半径的撞击距离到桅杆，rs，并有意增加到对象的打击距离的半径rc，这将最终增加保护区的面积。因此，保护​​需要较短的桅杆高度的对象具有相同的大小。

在IEEE-92的列中，其示出了根据物体的增加的桅杆高度的稳定增加高度。但是，它在y = 8米处突然下降，在y = 9米处逐渐回升，最终到达饱和状态在y = 10 m（以绿色绘的单元格表示对象的高度模型不能提供有效的屏蔽）。下降的原因是由于迭代过程，它不能收敛到最终值，而是倾向于从h = rg和h = 15.11m振荡，并且最终，在h =15.11 m时迭代过程完成。结果，所需的屏蔽高度未确定因此，该模型不能为指定的物体高度提供有效的保护。振荡的桅杆高度也发生在y = 9m处，之后在y = 10m处达到饱和。作为结论，所有桅杆高度结果对于从y = 8m到y = 18m开始的IEEE-92，无法为物体提供有效的保护。

4.2两个桅杆的仿真结果用设计电流屏蔽3 kA和5 kA

在用于设计电流为3kA和5kA的两个塔架中使用的值示于表4中显示了设计电流为3 kA和5 kA的两个桅杆屏蔽的仿真结果。在这种情况下，撞击距离对地面，rg，仍然起重要作用，因为双桅杆屏蔽仍然受到影响地面。所有四个模型的rg结果与一个桅杆屏蔽的rg结果相同。但是，由于受保护对象位于两个桅杆之间，rg的影响将在物体的侧面（侧面冲程闪电），但不在对象的顶部（直接闪电笔触）。两个桅杆的保护区屏蔽比单桅杆屏蔽更大，因此，所需的屏蔽桅杆的高度用于保护相同的对象将更短。所以，从表5可以看出，在那里有四个改进模型，其中与使用一个桅杆的结果相比，所需的桅杆高度降低Young的模型可以成功地保护对象的高度从y = 3 m到18 m和CIGRE模型可以为y = 3 m和4 m提供保护，而IEEE-92和95可以为物体的高度提供有效的保护当使用Ic = 3kA时，从3m到8m。当使用Ic = 5kA时，结果也改善了使用CIGRE，IEEE-92和95型号，其中CIGRE提供从y = 3 m到9 m的保护，IEEE-92供电保护从y = 3 m到13 m和IEEE-95可以提供高达y = 14 m的保护。从结果可以看出的Ic = 5kA，IEEE-92在y = 14m处遭遇突然下降，因此，其无效的屏蔽开始于那个对象的高度。

4.3。设计电流为3 kA和5 kA的单线屏蔽仿真结果

对于3 kA和5 kA的设计电流，单线屏蔽中使用的值如表6所示的线屏蔽是一种方法，其中为了目的，将线在被保护物体的顶部上拉伸雷击保护。可以假定屏蔽线等于一对桅杆衬里直线提供防雷保护，从而提供更大的保护区域。总之，电线屏蔽应提供比桅杆屏蔽更好的屏蔽。单线屏蔽是两个桅杆屏蔽，附加的屏蔽线连接到位于保护对象正上方的其桅杆上。从表7 中可以看出，对于Ic = 3kA，它表明杨氏模型能够给所有的有效屏蔽变化的对象的高度从y = 3 m到18 m，CIGRE模型提供对象的高度从y = 3 m的保护到5 m，IEEE-95提供的保护从y = 3 m到8 m，最后，IEEE-95可以保护物体的高度y =3mu;m〜6mu;m。而对于Ic = 5 kA，CIGRE模型可以为物体的高度y = 3提供保护m至11m，IEEE-92（对于y = 3m至13m）以及最后但不是最不重要的，IEEE-95（对于y = 3m至11m）。注意到保护所需的电线高度比两个桅杆屏蔽小得多。因此，确认线屏蔽方法提供更好的屏蔽和更大的保护面积。IEEE-95的rg是16.34m，而其他rg保持与屏蔽桅杆相同。这将使到物体的撞击距离rc变得更小。虽然IEEE-95屏蔽线需要较小的高度比较到桅杆，它只能提供高达y = 6 m的有效保护只有对于Ic = 3 kA。对于Ic = 5 kA，它可以仅给出y = 3m至11m而不是直到14m的有效屏蔽，这是两个桅杆的能力屏蔽。这是因为rg乘以系数1，并且这有意地减小其打击距离，从而减小其保护面积。但无论如何，对于物体的高度，它可以给保护，所需的屏蔽高度降低。

4.4设计电流为3 kA和5 kA的双线屏蔽仿真

结果在用于3kA和5kA的设计电流的双线屏蔽中使用的值示于表8中两线屏蔽的概念与单线屏蔽相同，但它提供了更大的屏蔽因此与单

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