H. Gholizadeh Manghutay

Thesis Title: Analysis of Impact of Surge Arrester of Sub-Transmission Substation on Earth Fault Over-voltages in Distribution Systems

Abstract: The occurrence of transient and temporary over-voltages caused by ground (earth) faults on sound phases in ungrounded or high impedance grounded power systems especially in distribution systems (in Iran mainly voltage level of 20 kV) can cause serious problems for equipment connected to these phases in sub-transmission substations. Various methods have been proposed to prevent damages of over-voltages based on their mitigation, and the use of surge arresters has been one of the most important of these methods. The subject of this dissertation is the analysis of surge arresters effect on over-voltages caused by ground faults and the revelation of their inefficiency in protecting the equipment connected to the sub-transmission substation’s distribution side. A review of previous work in this area shows that it has not been thoroughly researched before, although some relevant research can be seen in this regard. In regard to the theoretical and practical importance of this issue in the electricity industry, in this thesis the hypothesis of inefficiency of surge arresters in preventing damage to equipment connected to the distribution side of sub-transmission substations during ground faults is investigated by using numerical studies. For this purpose, the over-voltages caused by single phase to ground fault are studied through, modeling of surge arresters, accurate simulating of ground fault at a sample sub-transmission substation, and determining clearing time of single-phase to ground fault. In this regard, with a brief reference to the analytical method for calculating these over-voltages by a model based on symmetric components it becomes clear that this model cannot take into account many power system’s realities. Therefore, to study the phenomenon under discussion and its dimensions, it is necessary to use system modeling in EMTP. After modeling the system, various possible factors including the length of 63 kV input lines to the station, the location of single-phase to ground fault, the presence or absence of capacitor banks, and the conversion possibility of single-phase to ground fault to two-phase and three-phase faults are investigated and their role in occurred over-voltages size is analyzed.

Keywords: Grounding (Earthing), Distribution network, Sub-transmission station, Surge arrester, Over-voltage

چکیده: بروز اضافه‌ولتاژهای گذرا و موقتی ناشی از خطاهای زمین در سیستم‌های قدرت زمین‌نشده یا زمین‌شده از طریق امپدانس‌های بزرگ و به خصوص در سیستم‌های توزیع (در ایران عمدتاً سطح ولتاژ 20 کیلوولت) بر روی فازهای سالم غیردرگیر در خطا می‌تواند مشکلاتی جدی را برای تجهیزات متصل به این فاز‌ها در ایستگاه‌های فوق‌توزیع ایجاد کند. روش‌های مختلفی برای جلوگیری از آسیب‌های ناشی از‌ اضافه‌ولتاژها بر پایه خفیف‌سازی آنها پیشنهاد شده است که استفاده از برقگیرها از مهمترین این روش‌ها بوده‌اند. موضوع این پایان‌نامه تحلیل تاثیر برقگیرها بر اضافه‌ولتاژهای ناشی از خطاهای درگیرکننده زمین و آشکارسازی ناکارآمدی آنها در حفاظت از تجهیزات متصل به سمت توزیعِ ایستگاه فوق‌توزیع است. مرور کارهای قبلی انجام‌شده در این خصوص نشان می‌دهد که در این باره قبلاً تحقیق کاملی انجام نگرفته است، اگرچه بعضی تحقیقات پیرامونی در‌این‌باره به چشم می‌خورد. با توجه به اهمیت نظری و کاربردی این موضوع در صنعت برق، با استفاده از مطالعات عددی فرضیه این پایان‌نامه مبنی بر ناکارآمدی برقگیرها در جلوگیری از آسیب‌دیدن تجهیزات متصل به سطح ولتاژ توزیع ایستگاه‌های فوق‌توزیع در شرایط خطاهای زمین، ضمن بررسی اضافه‌ولتاژهای ناشی از خطای تک‌فاز به زمین، مدل‌سازی برقگیرها، محاسبه اضافه‌ولتاژها، شبیه‌سازی دقیق خطای زمین در یک ایستگاه فوق‌توزیع نمونه، و تعیین زمان رفع خطای تک‌فاز به زمین مورد ارزیابی قرار می‌گیرد. در این راستا، اشاره‌ای هم به روش تحلیلی محاسبه این اضافه‌ولتاژها توسط مدل مبتنی بر مولفه‌های متقارن می‌شود و نشان داده می‌شود که این مدل نمی‌تواند بسیاری از واقعیت‌های سیستم قدرت را در نظر بگیرد. بنابراین برای مطالعه پدیده مورد نظر و بررسی ابعاد آن لازم است از مد‌ل‌سازی سیستم در نرم‌افزار EMTP استفاده شود. پس از مدل‌سازی سیستم، حالت‌های مختلف ممکن شامل طول خطوط 63 کیلوولت ورودی به ایستگاه، محل خطای تکفاز به زمین، حضور یا عدم حضور بانک‌های خازنی، و امکان تبدیل خطای تک‌فاز به زمین به خطاهای دوفاز و سه‌فاز بررسی و نقش آنها در میزان اضافه‌ولتاژهای رخ داده بررسی و تحلیل می‌شود.

واژه‌های کلیدی: زمین‌کردن، شبکه توزیع، ایستگاه فوق‌توزیع، برقگیر، اضافه‌ولتاژ