• Insulation Coordination in Modern Distribution Networks

Tossani, Fabio

Subject

ING-IND/33 Sistemi elettrici per l'energia

Description

The appropriate analysis of the response of distribution networks against Lightning Electro Magnetic Pulse (LEMP) – originated by nearby strikes – requires the availability of accurate coupling models in order to reproduce the real and complex configuration of distribution systems. The above models represent a fundamental tool for estimating the number of protective devices and their most appropriate location in order to guarantee a given minimum number of flashovers and outages per year. When dealing with real networks, such an optimization could require huge computational efforts due to the vast number of power components and feeders. This thesis thoroughly analyzes many of the possible engineering simplifications that, without losing accuracy, can be adopted in the statistical evaluation of the lightning performance of distribution networks in order to limit computational times. Particular attention is devoted to the effect of the ground conductivity on the LEMP and on the line parameters; two new analytical expressions for the evaluation of the inverse Laplace transform of the ground impedance matrix elements of multiconductor overhead lines are derived. The first expression is the inverse Laplace transform of Sunde’s logarithmic formula and is given in two equivalent forms. The second expression is the inverse Laplace transform of Sunde’s general integral expression. Finally, a procedure able to evaluate the lightning performance of a real medium-voltage distribution network, which includes several lines, transformers and surge protection devices is developed and proposed for the analysis of some real cases. Such a procedure allows inferring the characteristics of the statistical distributions of lightning-originated voltages at any point and phase of the network. The analysis aims at assessing the expected mean time between failures of transformers caused by both direct and indirect lightning strikes.

L'analisi della risposta di una rete elettrica di distribuzione a un campo elettromagnetico esterno generato da una scarica atmosferica richiede l'utilizzo di accurati modelli in grado di riprodurre la reale e complessa configurazione della rete. Tali modelli rappresentano uno strumento fondamentale per la stima del numero di dispositivi di protezione ed il loro appropriato collocamento al fine di garantire il numero minimo annuo di “flashovers” e interruzioni. In una rete di distribuzione reale, tale ottimizzazione può richiedere sforzi computazionali proibitivi a causa dell’elevatissimo numero di componenti di potenza e linee presenti. Questa tesi analizza in maniera esaustiva molteplici semplificazioni ingegneristiche adottabili, al fine di ridurre i tempi computazionali, nella valutazione statistica del numero annuo di guasti di una rete di distribuzione. Particolare attenzione è dedicata agli effetti della conducibilità finita del suolo sul campo irradiato dal fulmine e sui parametri delle linee. Nella tesi sono derivate due nuove espressioni analitiche per il calcolo della trasformata di Laplace inversa dell’impedenza del terreno. La prima è la trasformata di Laplace inversa dell’espressione di Sunde logaritmica ed è proposta in due forme equivalenti. La seconda è la trasformata di Laplace inversa della più generale espressione integrale di Sunde. Infine, si è sviluppata una procedura in grado di valutare la “lightning performance” di una rete di distribuzione in media tensione avente configurazione realistica, che comprende “feeder” principali e laterali, pali, cabine secondarie e dispositivi di protezione contro le sovratensioni. La procedura messa a punto, basata sull’applicazione del metodo di Monte Carlo, permette di calcolare l'ampiezza delle tensioni indotte da fulminazione in qualsiasi punto e in ogni fase della rete. L’attività ha riguardato anche la valutazione del tempo medio fra i guasti (MTBF) di ogni trasformatore MT / BT causati da fulminazione indiretta e diretta, parametro di fondamentale rilevanza per l’ente distributore.

Date

2016-03-21

Type

Tesi di dottorato

NonPeerReviewed

Format

application/pdf

Identifier

urn:nbn:it:unibo-18338

Tossani, Fabio (2016) Insulation Coordination in Modern Distribution Networks, [Dissertation thesis], Alma Mater Studiorum Università di Bologna. Dottorato di ricerca in Ingegneria elettrotecnica , 28 Ciclo. DOI 10.6092/unibo/amsdottorato/7296.

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