Numerical modeling of electromagnetic coupling phenomena in the vicinities of overhead power transmission lines.

Electromagnetic coupling phenomena between overhead power transmission lines and other nearby structures are inevitable, especially in densely populated areas. The undesired effects resulting from this proximity are manifold and range from the establishment of hazardous potentials to the outbreak of alternate current corrosion phenomena. The study of this class of problems is necessary for ensuring security in the vicinities of the interaction zone and also to preserve the integrity of the equipment and of the devices there present. However, the complete modeling of this type of application requires the three- -dimensional representation of the region of interest and needs specific numerical methods for field computation. In this work, the modeling of problems arising from the flow of electrical currents in the ground (the so-called conductive coupling) will be addressed with the finite element method. Those resulting from the time variation of the electromagnetic fields (the so-called inductive coupling) will be considered as well, and they will be treated with the generalized PEEC (Partial Element Equivalent Circuit) method. More specifically, a special boundary condition on the electric potential is proposed for truncating the computational domain in the finite element analysis of conductive coupling problems, and a complete PEEC formulation for modeling inductive coupling problems is presented. Test configurations of increasing complexities are considered for validating the foregoing approaches. These works aim to provide a contribution to the modeling of this class of problems, which tend to become common with the expansion of power grids.

Lightning-Induced Voltages on Overhead Lines-Application of the Extended Rusck Model

Lightning-induced overvoltages have a considerable impact on the power quality of overhead distribution and telecommunications systems, and various models have been developed for the computation of the electromagnetic transients caused by indirect strokes. The most adequate has been shown to be the one proposed by Agrawal et al.; the Rusck model can be visualized as a particular case, as both models are equivalent when the lightning channel is perpendicular to the ground plane. In this paper, an extension of the Rusck model that enables the calculation of lightning-induced transients considering flashes to nearby elevated structures and realistic line configurations is tested against data obtained from both natural lightning and scale model experiments. The latter, performed under controlled conditions, can be used also to verify the validity of other coupling models and relevant codes. The so-called Extended Rusck Model, which is shown to be sufficiently accurate, is applied to the analysis of lightning-induced voltages on lines with a shield wire and/or surge arresters. The investigation conducted indicates that the ratio between the peak values of the voltages induced by typical first and subsequent strokes can be either greater or smaller than the unity, depending on the line configuration.

Analysis of the lightning attractive radius of power transmission lines through the use of a physically-oriented model

Models of different degrees of complexity are found in the literature for the estimation of lightning striking distances and attractive radius of objects and structures. However, besides the oversimplifications of the physical nature of the lightning discharge on which most of them are based, till recently the tridimensional structure configuration could not be considered. This is an important limitation, as edges and other details of the object affect the electric field and, consequently, the upward leader initiation. Within this context, the Self-consistent leader initiation and propagation model (SLIM) proposed by Becerra and Cooray is state-of-the-art leader inception and propagation leader model based on the physics of leader discharges which enables the tridimensional geometry of the structure to be taken into account. In this paper, the model is used for estimating the striking distance and attractive radius of power transmission lines. The results are compared with those obtained from the electrogeometric and Eriksson's models. © 2003-2012 IEEE.

Simplified skin-effect formulation for power transmission lines

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Silicone insulators of power transmission lines with a variable inorganic load concentration: Electrical and physiochemical analyses

Polymeric insulation is an increasing tendency in projects and maintenance of electrical networks for power distribution and transmission. Electrical power devices (e. g., insulators and surge arresters) developed by using polymeric insulation presents many advantages compared to the prior power components using ceramic insulation, such as: a better performance under high pollution environment; high hydrophobicity; high resistance to mechanical, electrical and chemical stresses. The practice with silicone insulators in polluted environments has shown that the ideal performance is directly related to insulator design and polymer formulation. One of the most common misunderstandings in the design of silicone compounds for insulators is the amount of inorganic load used in their formulation. This paper attempts to clarify how the variation of the inorganic load amount affects physicochemical characteristics of different silicone compounds. The physicochemical evaluation is performed from several measurements, such as: density, hardness, elongation, tensile strength. In addition, the evaluation of the physicochemical structure is carried out using infrared test and scanning electronic microscopy (SEM). The electrical analysis is performed from the electric tracking wheel and erosion test, in agreement with the recommendation of the International Electrotechnical Commission (IEC). (C) 2014 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Weather forecasting to predict practical dynamic asset rating of overhead lines

This paper describes the potential of pre-setting 11kV overhead line ratings over a time period of sufficient length to be useful to the real-time management of overhead lines. This forecast is based on short and long term freely available weather forecasts and is used to help investigate the potential for realising dynamic rating benefits on the electricity network. A comparison between the realisable benefits in ratings using this forecast data, over the period of a year has been undertaken.

Tap-Off Power From the Overhead Shield Wires of an HV Transmission Line

In recent years, there was an increase of ancillary service loads, such as signaling systems, inspection robots, surveillance cameras, and other monitoring devices distributed along high-voltage transmission lines which require low-power dc voltage supplies. This paper investigates the use of the induced voltage in the shield wires of an overhead 525 kV transmission line as a primary power source. Since phase current variations throughout the day affect the induced voltage in the overhead ground wire, a step-down dc-dc converter is used after rectification of the ac voltage to provide a regulated dc output voltage. The initial encouraging results obtained indicate that this form of power supply can be a feasible and cost-effective alternative for feeding small ancillary service loads. The simulation results are validated by field measurements as well as the installation of a 200 W voltage stabilization system prototype.

Evaluation of Human Exposure to Magnetic Fields Generated by Electric Power Systems in Complex Configurations

The international growing concern for the human exposure to magnetic fields generated by electric power lines has unavoidably led to imposing legal limits. Respecting these limits, implies being able to calculate easily and accurately the generated magnetic field also in complex configurations. Twisting of phase conductors is such a case. The consolidated exact and approximated theory regarding a single-circuit twisted three-phase power cable line has been reported along with the proposal of an innovative simplified formula obtained by means of an heuristic procedure. This formula, although being dramatically simpler, is proven to be a good approximation of the analytical formula and at the same time much more accurate than the approximated formula found in literature. The double-circuit twisted three-phase power cable line case has been studied following different approaches of increasing complexity and accuracy. In this framework, the effectiveness of the above-mentioned innovative formula is also examined. The experimental verification of the correctness of the twisted double-circuit theoretical analysis has permitted its extension to multiple-circuit twisted three-phase power cable lines. In addition, appropriate 2D and, in particularly, 3D numerical codes for simulating real existing overhead power lines for the calculation of the magnetic field in their vicinity have been created. Finally, an innovative ‘smart’ measurement and evaluation system of the magnetic field is being proposed, described and validated, which deals with the experimentally-based evaluation of the total magnetic field B generated by multiple sources in complex three-dimensional arrangements, carried out on the basis of the measurement of the three Cartesian field components and their correlation with the field currents via multilinear regression techniques. The ultimate goal is verifying that magnetic induction intensity is within the prescribed limits.

Fault-Location System for Multiterminal Transmission Lines

This research presents the development and implementation in a computational routine of algorithms for fault location in multiterminal transmission lines. These algorithms are part of a fault-location system, which is capable of correctly identifying the fault point based on voltage and current phasor quantities, calculated by using measurements of voltage and current signals from intelligent electronic devices, located on the transmission-line terminals. The algorithms have access to the electrical parameters of the transmission lines and to information about the transformers loading and their connection type. This paper also presents the development of phase component models for the power system elements used by the fault-location algorithms.

Modelização e análise de desempenho de redes de distribuição mistas

A evolução tecnológica a que se assistiu nas últimas décadas tem sido um dos principais fatores da necessidade de utilização de energia elétrica. Consequentemente, remodelações tanto a nível de equipamentos na rede de distribuição como da qualidade de serviço têm sido determinantes para fazer face a uma evolução crescente do consumo de energia elétrica por parte da sociedade. Esta evolução tem afetado significativamente o desempenho dos sistemas de proteção e automatismos associados, sendo estes cada vez mais fiáveis e proporcionando maior segurança tanto aos ativos da rede como a pessoas. No entanto, esta evolução tem tido também impacto nas linhas de distribuição em média tensão, estando estas a evoluir de rede aérea para linhas mistas de distribuição. As linhas mistas de distribuição têm diferentes desempenhos técnicos e económicos no que respeita aos sistemas de proteção e respetivos automatismos de religação automática. Neste trabalho são analisados alguns parâmetros que têm influência na atuação das proteções e respetivos automatismos de religação.

Utilização de Cabos de alta Temperatura em linhas Aéreas em Média Tensão

A presente dissertação teve como objetivo fazer uma análise da viabilidade técnica da utilização dos condutores de alta temperatura nas linhas aéreas de MT, identificar vantagens, analisar inconvenientes, e estabelecer um comparativo a custos médios com as soluções convencionais. Foi efetuado o estudo de um caso real da EDP Distribuição que consistia na necessidade do aumento da capacidade de transporte de energia da linha aérea a 15 kV Espinho-Sanguedo. Neste foi ponderada a solução onde se poderia efetuar passagem de linha simples para linha dupla em alumínio-aço (AA) 160 mm2 ou a solução alternativa e inovadora de substituição dos condutores existentes por condutores de alta temperatura ACCC 182 mm2. Para isso foram efetuados cálculos e também criada uma ferramenta de apoio à decisão, para validação dos mesmos, com o intuito de mais tarde poder ser aplicada nas linhas aéreas em Média Tensão em todo o país e, sempre que necessário, se possa fazer um estudo de ponderação técnica de forma sistemática e estruturada. Neste trabalho estão identificadas as vantagens, foram relatados os inconvenientes, e estabeleceu-se um comparativo a custos médios da utilização de condutores de alta temperatura com as soluções convencionais. Antes de poder ser realizado um estudo do caso concreto da Linha aérea Espinho-Sanguedo foi necessário um aprofundamento do estado da arte no que diz respeito à comparação entre o cabo de alta temperatura ACCC e o cabo convencional ACSR, sendo este o mais utilizado nas linhas aéreas em MT. Os cabos de alta temperatura trouxeram inovações neste tema de transporte de energia, e como tal surgiu a necessidade de um estudo mais aprofundado da sua constituição, destacando o seu núcleo formado pelo compósito de fibra de carbono e fibra de vidro. Foi também analisado vantagens e desvantagens do cabo de alta temperatura e até mesmo situações onde a sua aplicação poderá ser vantajosa, de modo a tirar proveito das suas caraterísticas em que se destacam altas temperaturas de funcionamento e flechas reduzidas. Para elaborar um projeto de uma linha aérea em média tensão é necessário considerar a legislação em vigor, os aspetos ambientais e económicos, respeitando e garantindo as premissas do cálculo elétrico e mecânico. Economicamente este tipo de cabo (ACCC) é mais dispendioso do que os convencionais, no entanto o estudo realizado permitiu perceber que a sua implementação técnica é vantajosa em linhas aéreas de elevada capacidade de transporte de energia, sobretudo nos casos onde serão necessárias instalar linhas duplas ou linhas simples de seções elevadas. Devido às suas caraterísticas mecânicas, estes cabos permitem melhorar as linhas na sua dimensão, podendo diminuir o número de apoios a instalar, podendo diminuir a robustez dos apoios e permitir maior facilidade na montagem. Estas vantagens traduzem-se em menores impactos ambientais e permitem sobretudo reduzir os constrangimentos com os proprietários dos terrenos onde os apoios são implantados.

Estimation of zero-sequence impedance of undergrounds cables for single-phase fault location in distribution systems with electric arc

This paper focus on the problem of locating single-phase faults in mixed distribution electric systems, with overhead lines and underground cables, using voltage and current measurements at the sending-end and sequence model of the network. Since calculating series impedance for underground cables is not as simple as in the case of overhead lines, the paper proposes a methodology to obtain an estimation of zero-sequence impedance of underground cables starting from previous single-faults occurred in the system, in which an electric arc occurred at the fault location. For this reason, the signal is previously pretreated to eliminate its peaks voltage and the analysis can be done working with a signal as close as a sinus wave as possible

Haja-asutusalueiden sähkönjakelujärjestelmien kehittäminen – erityisesti 1000 V jakelujännitteen käyttömahdollisuudet

Yhteiskunnan riippuvuus sähköstä on lisääntynyt voimakkaasti viime vuosikymmenien aikana. Sähkönjakelussa esiintyneet lyhyet ja pitkät keskeytykset ovat osoittaneet yhteiskunnan haavoittuvuuden ja yhteiskunta kestää entistä vähemmän sähkönjakelussa tapahtuvia häiriöitä. Keskeytyksistä aiheutuneiden haittojen arvostus on kasvanut ja tämä on luonut taloudelliset perusteet sähkön laatua parantaville investoinneille. Haja-asutusalueiden keskijänniteverkon johdot on rakennettu avojohtoina ja siten ne ovat alttiita sääolosuhteista johtuville myrsky- ja lumikuormavaurioille. Ilmastomuutoksen ennustetaan lisäävän tuulisuutta ja siten ongelmat sähkönjakelussa mahdollisesti lisääntyvät. Taajamissa käytetään enemmän kaapeleita ja johtolähdöt ovat lyhyitä, joten myrskyistä aiheutuvia keskeytyksiä on vähemmän kuin haja-asutusalueella. Olemassa olevat jakeluverkot ovat käytössä vielä vuosikymmeniä, joten uuden tekniikan kehittämisen rinnalla on kehitettävä myös olemassa olevaa jakeluverkkoa ja sen ylläpitoa. Ylläpidon tavoitteena on käyttövarmuuden parantamisen lisäksi huolehtia siitä, että jakeluverkkoihin sitoutunut omaisuus säilyttää arvonsa mahdollisimman hyvin pitoajan loppuun saakka. Jakeluverkkoihin investoitiin paljon 1950–70-luvuilla. Tältä ajalta on yhä käytössä puupylväitä, joiden ikääntymisen takia korvausinvestointien tarve kasvaa. Hyvänä puolena tässä on että käyttövarmuuden parantamiseksi olemassa olevaa jakeluverkkoa ei tarvitse uusia ennenaikaisesti. Tutkimuksessa päähuomio on haja-asutusalueiden 20 kV keskijänniteverkon kehittämisessä, sillä yli 90 % asiakkaiden kokemista keskeytyksistä johtuu keskijänniteverkon vioista. Erityisesti johtorakenteisiin ja johtojen sijoittamiseen on kiinnitettävä huomiota. Käyttövarmuuden lisäksi jakeluverkkojen kehittämistä ohjaavia tekijöitä ovat taloudellisuus, ympäristön huomioiminen, viranomaisvalvonta sekä asiakkaiden ja omistajien odotukset. Haja-asutusalueilla taloudelliset haasteet ovat suuret vakituisen väestön vähenemisen ja mahdollisesti sähköntarpeen pienenemisen takia. Taloudellisuus korostuu ja riskit kasvavat, kun tuottojen määrä supistuu tarvittaviin jakeluverkon investointeihin ja ylläpitokustannuksiin verrattuna. Ristiriitaa aiheuttaa se, että asiakkaat odottavat sähkönjakelulta parempaa luotettavuutta, mutta paremmasta sähkönlaadusta ei olla valmiita maksamaan juurikaan nykyistä enempää. Jakeluverkkojen kehittämistä voi hidastaa myös viranomaisvalvonta, jos tuottoja ei voida lisätä investointien lisätarpeiden suhteessa. Tutkimuksessa on analysoitu yleisellä tasolla kaapeloinnin lisäämistä, korkeiden pylväiden käyttämistä, leveitä johtokatuja, edullisten ja yksinkertaisten sähköasemien rakentamista haja-asutusalueille ja automaatioasemien lisäämistä keskijänniteverkon solmupisteisiin. Erityisesti tutkimuksessa on analysoitu uutena tekniikkana 1000 V jännitteen käyttömahdollisuutta jakeluverkkojen kehittämisessä. Sähköjohtojen siirtäminen teiden varsiin parantaa käyttövarmuutta, vaikka johdot rakennetaan samalla tekniikalla kuin olemassa olevat johdot. Hajaasutusalueille rakennettavilla sähköasemilla pitkät syöttöjohdot voidaan jakaa pienemmiksi syöttöalueiksi, jolloin keskeytyksistä aiheutuvat haitat koskettavat kerrallaan pienempää asiakasmäärää. Samaan tulokseen päästään oikein sijoitetuilla ja toteutetuilla automaatioasemilla. Tutkimuksen mukaan lupaavaksi tekniikaksi jakeluverkkojen kehittämisessä on osoittautumassa 1000 V jänniteportaan ottaminen 400 V pienjännitteen lisäksi. 1000 V verkoilla voidaan korvata häiriöherkkiä 20 kV keskijänniteverkon lyhyitä, alle viiden kilometrin pituisia haarajohtoja ja haarajohtojen jatkeita, missä siirrettävät tehot ovat pieniä. Uudessa jakelujärjestelmässä sähkö tuodaan 1000 V jännitteellä lähelle asiakasta, jossa jännite muunnetaan normaaliksi asiakkaille soveltuvaksi 400/230 V jännitteeksi. Edullisuus perustuu siihen, että rakentamisessa käytetään samoja pienjännitejohtoja kuin asiakkaille menevässä 400 V pienjänniteverkossa. 1000 V jakelutekniikassa sekä investointikustannukset että ylläpitokustannukset ovat pienemmät kuin perinteisessä 20 kV ilmajohtotekniikassa. 1000 V johdot säästävät maisemaa, sillä ne eivät tarvitse leveää johtokatua kuten 20 kV keskijännitejohdot. 1000 V verkkojen käyttö soveltuukin erityisesti vapaa-ajanasuntojen sähköistykseen herkissä ranta- ja järvimaisemissa. 1000 V verkot mahdollistavat kaapeliauraamisen lisäämisen ja näin voidaan vähentää ympäristöä haittaavien kyllästettyjen pylväiden käyttöä. 1000 V jakeluverkkojen osalta tutkimustyön tuloksia on sovellettu suomalaisessa Suur-Savon Sähkö Oy:ssä. Käytännön kokemuksia 1000 V jakelujärjestelmästä on useista kymmenistä kohteista. Tutkimustulokset osoittavat, ettei keskijänniteverkon maakaapelointi hajaasutusalueilla ole taloudellisesti kannattavaa nykyisillä keskeytyksistä aiheutuvilla haitta-arvoilla, mutta jos keskeytyskustannusten arvostus kasvaa, tulee kaapelointi kannattavaksi monissa paikoissa. Myös myrskyisyyden ja myrskyistä aiheutuvien jakelukeskeytysten lisääntyminen tekisi kaapeloinnista kannattavan. Tulevaisuudessa jakeluverkkojen rakentaminen on entistä monimuotoisempi tehtävä, jossa taloudellisuuden ja käyttövarmuuden lisäksi on huomioitava asiakkaat, omistajat, viranomaiset ja ympäristö. Tutkimusta jakelutekniikan kehittämiseksi tarvitaan edelleen. Tulevaisuuden osalta haja-asutusalueiden jakeluverkkojen kehittämiseen liittyy paljon epävarmuuksia. Hajautetun kiinteistökohtaisen sähköntuotannon lisääntyminen voi tehdä jakeluverkoista nykyistä tarpeettomampia, mutta esimerkiksi liikenteen sähköistyminen voi kasvattaa jakeluverkkojen merkitystä. Tästä syystä jakeluverkkojen rakentamisessa tarvitaan joustavuutta, jotta tarvittaessa voidaan helposti sopeutua erilaisiin kehityssuuntiin.

Galvaanisen erotuksen toteuttaminen tasavirtasähkönjakelun asiakaspäätelaitteessa

Suomessa sähkönjakeluverkon pääasialliset jännitetasot ovat 20 kV ja 400 V. 20 kV jännitetasolla sähkö viedään lähelle kuluttajia ja muunnetaan pienemmäksi lähellä asiakkaita. Haittapuolena on se, että 20 kV avojohtosähkönsiirtoverkko on hyvin vika-altis ja usein yhden haaran vikaantuessa monta muutakin jää ilman sähköä. Lisäksi hintavien ja suurien jakelumuuntajien määrä on suuri. Vaihtoehtona on toteuttaa osa sähkönjakelusta tasajännitteellä, jolloin tehollinen pienjännite olisi 400 V:a suurempi. Tällöin sähköä voitaisiin siirtää pidempiä matkoja ilman, että asiakaskohtaisia tai muutaman asiakkaan kattavia 20 kV siirtolinjoja tarvitsisi käyttää. Tämä edellyttää vaihtosuuntauksen toteuttamista kuluttajan päässä. Tässä työssä esiteltävällä 1 kVA:n tehoisella vaihtosuuntaajalla muodostetaan tasasähköjakeluverkosta saatavasta 750 V tasasähköstä yksivaiheista (230 VRMS, 50 Hz) verkkojännitettä. Laite on suunniteltu toteuttamaan galvaaninen erotus mahdollisimman hyvällä hyötysuhteella. Suurtaajuusmuuntajan mitoitus mahdollisimman hyvälle hyötysuhteelle on haastava tehtävä, koska vaatimuksia sille asettavat sekä syöttävä resonanssikonvertteri että syötettävä syklokonvertteri. Mitoituksessa on pyrittävä löytämään mahdollisimman hyvä hyötysuhde kustannusten ja toteutettavuuden suhteen.

Identification of flexural stiffness parameters of beams

A three degree of freedom model of the dynamic mass at the middle of a test sample, resembling a Stockbridge neutraliser, is introduced. This model is used to identify the hereby called equivalent complex cross section flexural stiffness (ECFS) of the beam element which is part of the whole test sample. This ECFS, once identified, gives the effective cross section flexural stiffness of the beam as well as its effective damping, measured as the loss factor of an equivalent viscoelastic beam. The beam element of the test sample may be of any complexity, such as a segment of stranded cable of the ACSR type. These data are important parameters for the design of overhead power transmission lines and other cable structures. A cost function is defined and used in the identification of the ECFS. An experiment, designed to measure the dynamic masses of two test samples, is described. Experimental and identified results are presented and discussed.