Ανάπτυξη στοχαστικού μοντέλου σύλληψης κεραυνού και εφαρμογές του σε συστήματα αντικεραυνικής προστασίας

Abstract

The scope of the Ph.D. thesis is the development of a stochastic lightning attachment model in MATLAB software, which is based on the concept of fractal structures, and its application on lightning incidence estimation and shielding design of power systems. Model parameters are selected on a physical basis considering lightning discharge physics as well as field measurements and observations. The model considers the combined effects of: (i) the actual 3D geometry of power systems and the effect of neighboring objects, (ii) the stochastic progression of lightning discharges in a 3D domain, (iii) the inception and propagation of multiple competing upward leaders and the interaction with the downward leader, (iv) the lightning discharge polarity, and (v) the physical processes involved in lightning attachment. The aforementioned parameters are neglected by the conventional deterministic electrogeometric models and leader propagation models, suggested until nowadays by international standards on lightning protection of power systems. Stochastic model’s validity is demonstrated against recent and reliable field observations on lightning discharge propagation, lightning attachment, and induced electric fields, which are available nowadays due to the rapid development of high-speed video recording systems; a satisfactory agreement is found with field data. Generalized methodologies are developed and formulated to quantify lightning incidence results and assess the lightning performance of power systems and are applied in typical substation configurations as well as HVDC and HVAC overhead lines. These methodologies take into account the lightning activity at the location under examination and are combined with electromagnetic transient simulations in ATP-EMTP software to compute the critical currents causing flashover of line insulation. Thus, based on stochastic model results, shielding failure cases can be predicted where the conventional electrogeometric models have reportedly failed in the field. Indicative examples are the recorded shielding failure cases in 500 kV overhead lines of negative shielding angle in Japan, that comprise a topic of continuous research and analysis in the last decade from the scientific community.

Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτέλεσε η ανάπτυξη ενός στοχαστικού μοντέλου σύλληψης του κεραυνού στο περιβάλλον του λογισμικού MATLAB και η συστηματική εφαρμογή του στην αξιολόγηση της κεραυνικής συμπεριφοράς συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας. Οι τιμές των βασικών παραμέτρων του μοντέλου επιλέχθηκαν στη βάση της φυσικής που διέπει το φαινόμενο σύλληψης του κεραυνού σύμφωνα με σύγχρονες μετρήσεις και παρατηρήσεις πεδίου. Το στοχαστικό μοντέλο λαμβάνει υπόψη παραμέτρους που αμελούνται από τα υπάρχοντα ηλεκτρογεωμετρικά μοντέλα και μοντέλα προόδου του leader των διεθνών προτύπων που σχετίζονται με: α) τη στοχαστική πρόοδο της κατερχόμενης εκκένωσης που χαρακτηρίζεται από φαινόμενα διακλαδώσεων και δαιδαλώδους συμπεριφοράς, β) τη γεωμετρία των αντικειμένων και την επίδραση των γειτνιαζόντων αντικειμένων, γ) την πολικότητα του κεραυνικού πλήγματος, δ) την έναυση και πρόοδο πολλαπλών ανερχόμενων εκκενώσεων καθώς και τον ανταγωνιστικό χαρακτήρα μεταξύ τους και την αλληλεπίδραση με τον κατερχόμενο leader και ε) κριτήρια έναυσης και προόδου στη βάση της φυσικής που διέπει τους κατερχόμενους και ανερχόμενους leader. Πραγματοποιήθηκε σύγκριση του στοχαστικού μοντέλου με αλλά μοντέλα από τη διεθνή βιβλιογραφία καθώς και με σύγχρονα δεδομένα πεδίου, σχετικά με την πρόοδο και σύλληψη των κεραυνικών εκκενώσεων, το ηλεκτρικό πεδίο στην επιφάνεια του εδάφους και τις βασικές παραμέτρους που χρησιμοποιούνται για το σχεδιασμό συστημάτων αντικεραυνικής προστασίας, με σκοπό την αξιολόγηση και την επαλήθευση του μοντέλου. Τα αποτελέσματα βρέθηκαν να είναι σε ικανοποιητική συμφωνία με τα δεδομένα πεδίου. Προτάθηκαν γενικευμένες μεθοδολογίες εκτίμησης της συχνότητας κεραυνικών σφαλμάτων υποσταθμών υψηλής τάσης και εναέριων γραμμών μεταφοράς στη βάση των αποτελεσμάτων του στοχαστικού μοντέλου και εφαρμόστηκαν σε τυπικούς υποσταθμούς καθώς και σε HVAC και HVDC γραμμές μεταφοράς. Οι μεθοδολογίες αυτές λαμβάνουν υπόψη την κεραυνική δραστηριότητα στην υπό εξέταση περιοχή στη βάση μιας πιθανοκρατικής προσέγγισης σε συνδυασμό με προσομοιώσεις μεταβατικών καταστάσεων για τον υπολογισμό των κρίσιμων ρευμάτων διάσπασης της μόνωσης. Με βάση τα παραπάνω, μπορούν να προβλεφθούν ικανοποιητικά σφάλματα θωράκισης σε υποσταθμούς και γραμμές μεταφοράς που δε μπορούν να προβλεφθούν από τα συμβατικά ηλεκτρογεωμετρικά μοντέλα που υιοθετούνται από τα αντίστοιχα διεθνή πρότυπα. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελούν καταγεγραμμένα σφάλματα θωράκισης σε γραμμές μεταφοράς 500 kV με αρνητική γωνία θωράκισης στην Ιαπωνία που αποτελούν συνεχή αντικείμενο μελέτης και ανάλυσης την τελευταία δεκαετία από την επιστημονική κοινότητα.