Made available in DSpace on 2014-06-11T19:24:47Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2004-12-03Bitstream added on 2014-06-13T18:52:41Z : No. of bitstreams: 1 thomazella_r_me_bauru_prot.pdf: 788309 bytes, checksum: a630d7e9326542247d07d560a3da2dd5 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / O presente trabalho visa o desenvolvimento de uma ferramenta computacional confiável na análise e estimação dos níveis de tensões induzidas em linhas de distribuição. Neste contexto, utilizam-se ferramentas computacionais consolidadas, como o ATP (Alternative Transients Program), que combinado a um software desenvolvido em Visual Basic, permitem quantificar e avaliar o nível de sobretensões nas linhas de distribuição. Por meio de modificações nas técnicas clássicas de modelagem das descargas atmosféricas, foi possível a construção de um software em Visual Basic capaz de quantificar os valores das tensões induzidas em linhas de distribuição finitas. A avaliação dos níveis de sobretensões induzidas nas mesmas foi implementada pela associação deste software a um programa de simulação (ATP), a fim de se obter resultados fidedignos deste transitório. Tais resultados foram utilizados para se avaliar o desempenho das... / The present work aims at the development of a trustworthy computacional tool in the analysis and estimate of the levels of induced overvoltage in distribution network. In this context, consolidated computacional tools are used, as ATP (Alternative Transients Program), that combined with a software developed in Visual Basic (beginner's all-purpose symbolic instruction code), they allow to quantify and to evaluate the level of overvoltage in the distribution network. By the means of modifications in the classic techniques of modeling of the atmospheric discharges, the construction of a software in Visual Basic was possible to quantify the values of the induced overvoltage in a finite... (Complete abstract click electronic access below)

Cette thèse est consacrée à l’étude de la décharge positive dans les grands intervalles d’air. L’objectif initial est de se doter d’un modèle capable de déterminer la tension U50 ainsi que le facteur d’intervalle k, deux facteurs importants entrant dans le dimensionnement des ouvrages hautes tensions, dans des géométries complexes. Pour ce faire un bilan des modèles de la décharge disponibles dans la littérature a été fait. Notre choix s’est porté sur le modèle de type circuit développé par le groupe du professeur Beroual et appliqué aussi bien à la décharge positive qu’à la décharge négative. Ce modèle est basé sur un schéma électrique équivalent, ses paramètres variant avec le temps en fonction des caractéristiques du canal et de la géométrie de la décharge. La propagation du leader est basée sur un critère lié au calcul du champ à sa tête et où le caractère aléatoire du trajet de la décharge est pris en compte. Comme la plupart des modèles présents dans la littérature, ce modèle ne s’intéresse qu’à l’intervalle de type pointe-plan. Une partie de ce travail a consisté à étendre le domaine d’applicabilité de ce modèle aux intervalles de géométrie complexes. Une étude détaillée de la géométrie pointe-pointe nous a permis de valider notre modèle dans sa capacité à simuler un exemple d’intervalle complexe. De plus, des essais expérimentaux nous ont permis de comparer la valeur de la U50 déterminée à l’aide de notre modèle et celle issue des expériences pour cette géométrie pointe-pointe. Les résultats obtenus sont en bon accord avec une marge d’erreur inférieure à 5%. Au vu du bon accord résultant de la confrontation modèle - expérience de laboratoire et de la grande similarité, grande étincelle - décharge atmosphérique, un modèle de foudre positif a été élaboré. Ce modèle nous a permis d’utiliser pour la première fois le modèle circuit pour modéliser le processus d’attachement de la foudre. Les résultats obtenues permettent de valider la faisabilité de trouver, aux méthodes standards de protection contre la foudre, une alternative numérique basé sur une simulation de la foudre. Une estimation du champ rayonné par le canal du leader a été effectuée. Ce qui ouvre une voie à l’étude de l’interaction de ces champs rayonnés avec les systèmes d’ingénierie. / This thesis is devoted to the study of the positive discharge in large air gaps. The initial goal is to develop a model able to determine the voltage U50 and the k-factor, two important factors involved in the design of high voltage structures in complex geometries. To do this, a review of the discharge models available in the literature was done. We chose the circuit model developed by Professor Beroual’s group and applied to the positive discharge and also to the negative discharge. This model is based on an equivalent circuit diagram, his parameters varying with time according to the leader channel characteristics and the geometry of the discharge. The spread of the leader is based on a criterion related to the calculation of the field at its head and where the randomness of the discharge path is taken into account. As most of models found in the literature, this model applies only to the point-plane type interval. Part of this work was to extend the domain of applicability of this model to complex geometries. A detailed study of the rod-rod gap allowed us to validate our model in its ability to simulate an example of complex geometry. Moreover, experimental tests allowed us to compare the value of the U50 voltage determined using our model and the one from experiments for to this rod-rod geometry. The results are in good agreement with a margin of error of less than 5%. Given the good agreement resulting from the confrontation model - laboratory experience and the great similarity, large spark - atmospheric discharge, a positive lightning model was developed. This model allowed us to use for the first time the circuit model to model the lightning attachment process. The results obtained allow to validate the feasibility to find, to the standard methods of protection against lightning, digital alternative based on a simulation of lightning. An estimate of the field radiated by the leader channel was performed. This opens a way for the study of the interaction of these fields radiated with engineering systems.

Thesis (PhD (Electrical and Electronic Engineering))--University of Stellenbosch, 2010. / ENGLISH ABSTRACT: South Africa and Australia are now the two remaining countries bidding for the Square Kilometre Array (SKA), the biggest and most sensitive project ever undertaken in radio astronomy. The South African SKA is demonstrating its technology capabilities through the Karoo Array Telescope (KAT or MeerKAT). The development of KAT is taking place in stages to optimise design and minimise risks at each stage. An array of seven 12 m antennas will be complete by the end of 2009, called KAT-7. The following phase will see the construction of MeerKAT, which will lead to eighty arrayed dishes. Lightning and RFI studies for KAT-7 are the focus of this dissertation. Due to the extent and complexity of the South African demonstrator project, these studies have largely been conducted on a single structure. Parameters for the dish antenna and pedestal design changed throughout their development. To be effective, the doctoral research had to track these changes appropriately. A Method of Moments frequency domain computational electromagnetic code, FEKO, is used throughout the study. The consequences of direct and indirect lightning strikes are examined for the KAT-7 structure. Important FEKO model verification is achieved through measurement of physical scale models in an anechoic chamber. The microwave simulation code, CST, gives direct comparison of FEKO results by using a finite volume time domain method of calculation. Using frequency domain analysis on these models, the lightning down conductor design over the dish antenna bearings is optimised with cost-effectiveness as one driving parameter. RFI coupling levels for different designs are compared to each other to identify areas requiring RFI mitigation. Analysis of resonances enables evaluation of the mitigation at frequencies sensitive to radio astronomy. A Sommerfeld integral ground plane is used together with the computational model to investigate the use of the concrete foundation steel reinforcing as part of the lightning earthing electrode system. Different interconnections of the steel reinforcing elements are critically evaluated. The KAT-7 design incorporated clear lightning protection and RFI mitigation policies derived from recommendations contained within this dissertation. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Suid-Afrika en Australie is nou die oorblywende twee lande wat bie vir die Vierkante Kilometer Reeks (SKA), die grootste en mees sensitiewe projek nog ooit in radio astronomie onderneem. Die Suid Afrikaanse SKA demonstreer sy tegnologiese bekwaamheid met die Karoo Reeks Teleskoop (KAT of MeerKAT). Die ontwikkeling van KAT vind plaas in fases om die ontwerp te optimaliseer en risikos te minimaliseer met elke fase. ’n Reeks van sewe 12 m antennas, genaamd KAT-7, sal teen die einde van 2009 klaar wees. Die volgende fase behels die konstruksie van MeerKAT, wat sal lei tot ’n tagtig-skottel reeks. Die fokus van hierdie proefskrif hanteer weerlig en radiofrekwensie steurings (RFS) vir KAT-7. As gevolg van die omvang en kompleksiteit van die Suid-Afrikaanse demonstreerder projek, is die studies hoofsaaklik op een struktuur gedoen. Parameters vir die antenna-skottel en -voetstuk ontwerp het met hul ontwikkeling deurgaans verander. Om effektief te wees, moes die doktorale navorsing hierdie veranderinge toepaslik volg. ’n Metode-van-Momente frekwensiedomein rekenaar elektromagnetiese kode, FEKO, is deurgaans met die studie gebruik. Die gevolge van direkte en indirekte weerligslae vir die KAT-7 struktuur is ondersoek. Belangrike FEKO model bevestiging is bereik met metings van skaalmodelle in ’n anego¨ıse kamer. Die mikrogolf-simulasie kode, CST, gee ’n direkte vergelyking met die FEKO resultate deur ’n eindige-volume-tyd-domein metode van berekening te gebruik. Met behulp van frekwensiedomein analise van hierdie modelle, is die weerligafleierontwerp oor die antenna-skottel laers ge-optimaliseer, met koste-effektiwiteit as een van die drywingsparameters. RFS koppelingsvlakke vir onderskeie ontwerpe is teen mekaar opgeweeg om areas te identifiseer wat RFS tempering benodig. Analise van resonansies stel die evaluering van die tempering in staat teen frekwensies wat sensitief is vir radio astronomie. ’n Sommerfeld integrale grondvlak word saam met die rekenaarmodel gebruik om die insluiting van die beton se staalversterking as deel van die aardingselektrodestelsel te ondersoek. Verskillende bindmetodes van die onderlinge staalversterkingselemente word krities ge¨evalueer. Die KAT-7 ontwerp inkorporeer duidelike weerligbeveiligings- en RFS temperingstrategie ¨e, komende van aanbevelings in hierdie proefskrif omskryf

Lightning causes important transient disturbances on transmission and distribution systems, with consequent damages to equipment, outages, and general decrease of the power quality. The assessment of the lightning dielectric strength of power equipment is generally based on tests performed using the standard lightning impulse voltage (1.2 / 50 µs waveshape), although the characteristics of the lightning overvoltages depend on many parameters and may vary widely. The behavior of insulators when subject to non-standard impulses depends both on the voltage amplitude and waveshape, and therefore a reliable model is required to produce the corresponding volt-time curves. Although there is no method universally accepted for this purpose, one of the most used is the Disruptive Effect (DE) model, which is based on the integration method concept. The application of this model involves the estimation of some parameters for which different procedures have been proposed in the literature, as for instance the procedures by Darveniza and Vlastos, by Hileman, by Chowdhuri et al., and by Ancajima et al. Tests of representative lightning overvoltages were performed to obtain the critical flashover overvoltages (CFO) and the volt-time curves of typical porcelain pin-type insulators considering three standard medium-voltage distribution classes (15 kV, 24 kV, and 36 kV) and five impulse voltage waveshapes, of both polarities. These tests provided data for the analyses of the insulators\' behavior and the results obtained using the different procedures for estimating the DE parameters. It is shown that in some cases insulator flashover is not predicted. A new method is then developed and proposed for evaluating the dielectric behavior of MV insulators. The method is validated using the typical insulators of the three voltage classes and the five lightning impulse voltages considered, of positive and negative polarities. The calculated volt-time curves showed in general a good agreement with the measured results for all the cases studied. The mean difference between the measured and calculated times to breakdown, for all the cases considered, was about 1.3 s; while the maximum difference was 4.0 s. The application of the proposed method to evaluate the occurrence of insulator flashovers in the shield wire line (SWL) system implemented in the State of Rondônia due to nearby lightning strikes supports previous conclusions that indicate that lightning has a significant impact on the SWL system performance in regions with high ground flash density. / Descargas atmosféricas produzem distúrbios transitórios significativos em sistemas de transmissão e distribuição, com consequentes danos em equipamentos, interrupções e redução geral na qualidade de energia elétrica. A avaliação da suportabilidade dielétrica frente às descargas atmosféricas do equipamento de potência é geralmente baseada em ensaios realizados usando o impulso atmosférico de tensão normalizada (forma de onda 1.2 / 50 µs), contudo as características das sobretensões atmosféricas dependem de muitos parâmetros e podem variar amplamente. O comportamento dos isoladores quando sujeitos a impulsos não normalizados depende tanto da magnitude como da forma de onda da tensão, e então um modelo confiável é necessário para se obter as curvas tensão-tempo correspondentes. Embora não haja um método universalmente aceito para essa finalidade, um dos mais utilizados é o modelo de Efeito Disruptivo (DE), que é baseado no conceito do método de integração. A aplicação desse modelo envolve a estimativa de alguns parâmetros para os quais diferentes procedimentos têm sido propostos na literatura, como por exemplo, os procedimentos de Darveniza e Vlastos, de Hileman, de Chowdhuri et al. e de Ancajima et al. Ensaios de sobretensões atmosféricas representativas foram feitos para obter as tensões de descarga disruptiva (CFO) e as curvas de tensão-tempo de isoladores de porcelana típicos, tipo pino, considerando três classes de tensão de distribuição de média tensão (15 kV, 24 kV e 36 kV) e cinco formas de onda de impulso de tensão, de ambas as polaridades. Estes ensaios proporcionaram dados para as análises do comportamento dos isoladores e os resultados obtidos usando os diferentes procedimentos para estimar os parâmetros necessários para a aplicação do modelo do Efeito Disruptivo. É mostrado que em alguns casos a disrupção no isolador não é prevista por tais procedimentos. Um novo método é, então, desenvolvido e proposto para avaliar o comportamento dielétrico dos isoladores de média tensão. O método é validado usando os isoladores típicos das três classes de tensão e as cinco formas de tensões de impulso atmosféricos consideradas, de polaridades positiva e negativa. As curvas tensão-tempo calculadas mostraram, em geral, boa concordância com os resultados medidos para todos os casos estudados. A diferença média entre os tempos de disrupção medidos e calculados, para todos os casos considerados, foi da ordem de 1,3 s; enquanto a máxima diferença foi de 4,0 s. A aplicação do método proposto para avaliar a ocorrência de disrupções em isoladores do Sistema de Cabo Para-raios Energizados (PRE), implementado no estado de Rondônia, devido a descargas atmosféricas indiretas, apoia as conclusões previamente obtidas que indicam que as descargas atmosféricas têm impacto significativo sobre o desempenho do sistema PRE em regiões com alta densidade de descargas para solo.

As descargas atmosféricas causam prejuízos às concessionárias de energia elétrica, aos consumidores e à sociedade como um todo. Diferentes métodos podem ser utilizados para melhorar a confiabilidade do sistema elétrico e a qualidade da energia fornecida aos consumidores. Entretanto, as sobretensões atmosféricas variam em função de diversos parâmetros, de modo que a eficácia de determinada alternativa de proteção depende não apenas da configuração da rede, mas também das características da região, especialmente da densidade de descargas atmosféricas e da resistividade do solo. Consequentemente a relação custo-benefício correspondente a cada alternativa também depende das características de cada região. É importante, portanto, dispor de um modelo para realizar essas avaliações levando em conta todos os fatores envolvidos no processo, de forma a auxiliar as empresas de energia na tomada de decisões sobre investimentos em proteção contra descargas atmosféricas. Entretanto, modelos de análise de viabilidade que permitam a obtenção de conclusões econômicas amplas para dar suporte à tomada de decisões não são normalmente utilizados em função da complexidade dos fenômenos associados às descargas atmosféricas e à dificuldade na construção de modelagens econômicas neste contexto. Para preencher esta lacuna, este trabalho propõe um modelo para análise do custo e benefício da implantação de sistemas de proteção contra descargas atmosféricas em redes de distribuição considerando os investimentos, a redução da indisponibilidade e os custos evitados para a distribuidora e a sociedade. A análise financeira é feita com base na taxa interna de retorno dos investimentos e na razão entre custos e benefícios, o que facilita a análise de sensibilidade e permite determinar as condições nas quais a alternativa será viável. O modelo considera a indisponibilidade de energia e a inconfiabilidade do sistema a partir dos indicadores de duração equivalente de interrupção por unidade consumidora (DEC) e da frequência equivalente de interrupção por unidade consumidora (FEC), respectivamente. Os custos evitados devido à redução da indisponibilidade são tratados como benefícios. É utilizado para analisar as condições nas quais a aplicação de um determinado método de proteção em uma determinada rede é técnica e economicamente viável. Faz-se também uma análise de sensibilidade, sendo discutidas as influências de vários parâmetros nas relações custo-benefício correspondentes às regiões estudadas. O que na realidade não limita o modelo à análise de investimentos para melhoria do desempenho de redes de distribuição frente a descargas atmosféricas, mostrou-se prático e de grande utilidade na tomada de decisões quanto à realização de determinado investimento considerando as características da região e a efetividade do método de proteção analisado. / Lightning causes damages and losses to power companies, consumers, and the society as a whole. Different methods can be used to improve the power quality and the reliability of the electrical system. However, lightning overvoltages depend upon several parameters, so that the effectiveness of a certain protection alternative depends not only on the network configuration but also on the characteristics of the region, especially the ground flash density and the soil resistivity. Consequently, the cost-benefit ratio corresponding to each alternative depends also on the characteristics of each region. It is important, therefore, that the model for conducting these assessments be capable of taking into account all the factors involved in the process so that it can assist power companies in making decisions on investments in lightning protection. However, models of feasibility analysis that enable to obtain broad economic conclusions to support decision-making are not normally used due to the complexity of the phenomena associated with lightning overvoltages and the difficulty in constructing economic models in this context. For this reason this work proposes a model for the analysis of the cost and benefit of the implantation of lightning protection systems in distribution networks considering the investments, the reduction of the unavailability, and the costs avoided for the distribution power company and the society. The financial analysis is based on the internal rate of return on investments and the cost-benefit ratio, which facilitates the sensitivity analysis and allows for the determination of the conditions under which the alternative will be feasible. The model considers the energy unavailability and the unreliability of the system from the indicators of equivalent duration of interruption per consumer unit (DEC) and the equivalent frequency of interruption per consumer unit (FEC), respectively. The costs avoided due to the reduction of unavailability are treated as benefits. The model is used to analyze the conditions under which the application of a given protection method in a given network is technically and economically feasible. A sensitivity analysis is also done and the influences of several parameters on the cost-benefit ratios corresponding to the regions studied are discussed. However the model, which actually is not limited to the analysis of investments to improve the lightning performance of power distribution networks, has proved to be practical and very useful in the decision-makingregarding the realization of a given investment taking into account the characteristics of the region and the effectiveness of the protection method analyzed.

Lightning causes important transient disturbances on transmission and distribution systems, with consequent damages to equipment, outages, and general decrease of the power quality. The assessment of the lightning dielectric strength of power equipment is generally based on tests performed using the standard lightning impulse voltage (1.2 / 50 µs waveshape), although the characteristics of the lightning overvoltages depend on many parameters and may vary widely. The behavior of insulators when subject to non-standard impulses depends both on the voltage amplitude and waveshape, and therefore a reliable model is required to produce the corresponding volt-time curves. Although there is no method universally accepted for this purpose, one of the most used is the Disruptive Effect (DE) model, which is based on the integration method concept. The application of this model involves the estimation of some parameters for which different procedures have been proposed in the literature, as for instance the procedures by Darveniza and Vlastos, by Hileman, by Chowdhuri et al., and by Ancajima et al. Tests of representative lightning overvoltages were performed to obtain the critical flashover overvoltages (CFO) and the volt-time curves of typical porcelain pin-type insulators considering three standard medium-voltage distribution classes (15 kV, 24 kV, and 36 kV) and five impulse voltage waveshapes, of both polarities. These tests provided data for the analyses of the insulators\' behavior and the results obtained using the different procedures for estimating the DE parameters. It is shown that in some cases insulator flashover is not predicted. A new method is then developed and proposed for evaluating the dielectric behavior of MV insulators. The method is validated using the typical insulators of the three voltage classes and the five lightning impulse voltages considered, of positive and negative polarities. The calculated volt-time curves showed in general a good agreement with the measured results for all the cases studied. The mean difference between the measured and calculated times to breakdown, for all the cases considered, was about 1.3 s; while the maximum difference was 4.0 s. The application of the proposed method to evaluate the occurrence of insulator flashovers in the shield wire line (SWL) system implemented in the State of Rondônia due to nearby lightning strikes supports previous conclusions that indicate that lightning has a significant impact on the SWL system performance in regions with high ground flash density. / Descargas atmosféricas produzem distúrbios transitórios significativos em sistemas de transmissão e distribuição, com consequentes danos em equipamentos, interrupções e redução geral na qualidade de energia elétrica. A avaliação da suportabilidade dielétrica frente às descargas atmosféricas do equipamento de potência é geralmente baseada em ensaios realizados usando o impulso atmosférico de tensão normalizada (forma de onda 1.2 / 50 µs), contudo as características das sobretensões atmosféricas dependem de muitos parâmetros e podem variar amplamente. O comportamento dos isoladores quando sujeitos a impulsos não normalizados depende tanto da magnitude como da forma de onda da tensão, e então um modelo confiável é necessário para se obter as curvas tensão-tempo correspondentes. Embora não haja um método universalmente aceito para essa finalidade, um dos mais utilizados é o modelo de Efeito Disruptivo (DE), que é baseado no conceito do método de integração. A aplicação desse modelo envolve a estimativa de alguns parâmetros para os quais diferentes procedimentos têm sido propostos na literatura, como por exemplo, os procedimentos de Darveniza e Vlastos, de Hileman, de Chowdhuri et al. e de Ancajima et al. Ensaios de sobretensões atmosféricas representativas foram feitos para obter as tensões de descarga disruptiva (CFO) e as curvas de tensão-tempo de isoladores de porcelana típicos, tipo pino, considerando três classes de tensão de distribuição de média tensão (15 kV, 24 kV e 36 kV) e cinco formas de onda de impulso de tensão, de ambas as polaridades. Estes ensaios proporcionaram dados para as análises do comportamento dos isoladores e os resultados obtidos usando os diferentes procedimentos para estimar os parâmetros necessários para a aplicação do modelo do Efeito Disruptivo. É mostrado que em alguns casos a disrupção no isolador não é prevista por tais procedimentos. Um novo método é, então, desenvolvido e proposto para avaliar o comportamento dielétrico dos isoladores de média tensão. O método é validado usando os isoladores típicos das três classes de tensão e as cinco formas de tensões de impulso atmosféricos consideradas, de polaridades positiva e negativa. As curvas tensão-tempo calculadas mostraram, em geral, boa concordância com os resultados medidos para todos os casos estudados. A diferença média entre os tempos de disrupção medidos e calculados, para todos os casos considerados, foi da ordem de 1,3 s; enquanto a máxima diferença foi de 4,0 s. A aplicação do método proposto para avaliar a ocorrência de disrupções em isoladores do Sistema de Cabo Para-raios Energizados (PRE), implementado no estado de Rondônia, devido a descargas atmosféricas indiretas, apoia as conclusões previamente obtidas que indicam que as descargas atmosféricas têm impacto significativo sobre o desempenho do sistema PRE em regiões com alta densidade de descargas para solo.

<p>This thesis deals with the electromagnetic compatibility (EMC) problems of distributed electrical networks, especially that caused by lightning to electrified railway. Lightning transients were found to damage important devices that control train movements, causing traffic stoppage and delays. This thesis attempts to develop computational models for identification of parameters influencing the coupling phenomena between those devices and lightning. Some supporting experimental investigations are also carried out. This thesis forms the groundwork on the subject of lightning interaction with the electrified railway networks.</p><p>Lightning induces transient overvoltages in railway conductor systems such as tracks, overhead wires, and underground cables, either due to direct lightning strike to the system or due to the coupling of electromagnetic fields from remote strikes. Models based on multiconductor transmission line theory were developed for calculating the induced voltages and currents. A transmission line return stroke model, that can predict the remote electromagnetic fields comparable to experimental observations, is also developed. </p><p>Earlier works on modeling earth return impedances for transient studies in power distribution systems are not readily applicable for railways for lightning transients, in cases of low earth conductivities found in Sweden and for large variation in conductor heights. For the wires above ground, the ground impedance models were modified for wide range of frequencies, soil conductivities and wide spread of conductor heights. Influences of pole insulator flashovers, pole-footing soil ionizations and interconnections between the conductors on the lightning surge propagation are studied. Wave propagation in buried shielded and unshielded cables with ground return is studied. Simplified, valid and computationally efficient ground impedance expressions for buried and on-ground wires are proposed. A model for the coupling phenomena (transfer impedance) through multiple cable shields with multiconductor core is also proposed. Besides, experimental studies on lightning induced transients entering a railway technical house, failure modes of relay and rectifier units used in the train position/signaling applications for lightning transients are performed. A high frequency circuit model for the booster transformer for lightning interaction studies is developed. The simulation models are being converted to user-friendly software for the practicing engineers of the railway industry.</p>

This thesis deals with the electromagnetic compatibility (EMC) problems of distributed electrical networks, especially that caused by lightning to electrified railway. Lightning transients were found to damage important devices that control train movements, causing traffic stoppage and delays. This thesis attempts to develop computational models for identification of parameters influencing the coupling phenomena between those devices and lightning. Some supporting experimental investigations are also carried out. This thesis forms the groundwork on the subject of lightning interaction with the electrified railway networks. Lightning induces transient overvoltages in railway conductor systems such as tracks, overhead wires, and underground cables, either due to direct lightning strike to the system or due to the coupling of electromagnetic fields from remote strikes. Models based on multiconductor transmission line theory were developed for calculating the induced voltages and currents. A transmission line return stroke model, that can predict the remote electromagnetic fields comparable to experimental observations, is also developed. Earlier works on modeling earth return impedances for transient studies in power distribution systems are not readily applicable for railways for lightning transients, in cases of low earth conductivities found in Sweden and for large variation in conductor heights. For the wires above ground, the ground impedance models were modified for wide range of frequencies, soil conductivities and wide spread of conductor heights. Influences of pole insulator flashovers, pole-footing soil ionizations and interconnections between the conductors on the lightning surge propagation are studied. Wave propagation in buried shielded and unshielded cables with ground return is studied. Simplified, valid and computationally efficient ground impedance expressions for buried and on-ground wires are proposed. A model for the coupling phenomena (transfer impedance) through multiple cable shields with multiconductor core is also proposed. Besides, experimental studies on lightning induced transients entering a railway technical house, failure modes of relay and rectifier units used in the train position/signaling applications for lightning transients are performed. A high frequency circuit model for the booster transformer for lightning interaction studies is developed. The simulation models are being converted to user-friendly software for the practicing engineers of the railway industry.

Orientador: André Nunes de Souza / Banca: Ivan Nunes da Silva / Banca: Luiz Gonzaga Campos Porto / Resumo: O presente trabalho visa o desenvolvimento de uma ferramenta computacional confiável na análise e estimação dos níveis de tensões induzidas em linhas de distribuição. Neste contexto, utilizam-se ferramentas computacionais consolidadas, como o ATP (Alternative Transients Program), que combinado a um software desenvolvido em Visual Basic, permitem quantificar e avaliar o nível de sobretensões nas linhas de distribuição. Por meio de modificações nas técnicas clássicas de modelagem das descargas atmosféricas, foi possível a construção de um software em Visual Basic capaz de quantificar os valores das tensões induzidas em linhas de distribuição finitas. A avaliação dos níveis de sobretensões induzidas nas mesmas foi implementada pela associação deste software a um programa de simulação (ATP), a fim de se obter resultados fidedignos deste transitório. Tais resultados foram utilizados para se avaliar o desempenho das... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The present work aims at the development of a trustworthy computacional tool in the analysis and estimate of the levels of induced overvoltage in distribution network. In this context, consolidated computacional tools are used, as ATP (Alternative Transients Program), that combined with a software developed in Visual Basic (beginner's all-purpose symbolic instruction code), they allow to quantify and to evaluate the level of overvoltage in the distribution network. By the means of modifications in the classic techniques of modeling of the atmospheric discharges, the construction of a software in Visual Basic was possible to quantify the values of the induced overvoltage in a finite... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

As descargas atmosféricas causam prejuízos às concessionárias de energia elétrica, aos consumidores e à sociedade como um todo. Diferentes métodos podem ser utilizados para melhorar a confiabilidade do sistema elétrico e a qualidade da energia fornecida aos consumidores. Entretanto, as sobretensões atmosféricas variam em função de diversos parâmetros, de modo que a eficácia de determinada alternativa de proteção depende não apenas da configuração da rede, mas também das características da região, especialmente da densidade de descargas atmosféricas e da resistividade do solo. Consequentemente a relação custo-benefício correspondente a cada alternativa também depende das características de cada região. É importante, portanto, dispor de um modelo para realizar essas avaliações levando em conta todos os fatores envolvidos no processo, de forma a auxiliar as empresas de energia na tomada de decisões sobre investimentos em proteção contra descargas atmosféricas. Entretanto, modelos de análise de viabilidade que permitam a obtenção de conclusões econômicas amplas para dar suporte à tomada de decisões não são normalmente utilizados em função da complexidade dos fenômenos associados às descargas atmosféricas e à dificuldade na construção de modelagens econômicas neste contexto. Para preencher esta lacuna, este trabalho propõe um modelo para análise do custo e benefício da implantação de sistemas de proteção contra descargas atmosféricas em redes de distribuição considerando os investimentos, a redução da indisponibilidade e os custos evitados para a distribuidora e a sociedade. A análise financeira é feita com base na taxa interna de retorno dos investimentos e na razão entre custos e benefícios, o que facilita a análise de sensibilidade e permite determinar as condições nas quais a alternativa será viável. O modelo considera a indisponibilidade de energia e a inconfiabilidade do sistema a partir dos indicadores de duração equivalente de interrupção por unidade consumidora (DEC) e da frequência equivalente de interrupção por unidade consumidora (FEC), respectivamente. Os custos evitados devido à redução da indisponibilidade são tratados como benefícios. É utilizado para analisar as condições nas quais a aplicação de um determinado método de proteção em uma determinada rede é técnica e economicamente viável. Faz-se também uma análise de sensibilidade, sendo discutidas as influências de vários parâmetros nas relações custo-benefício correspondentes às regiões estudadas. O que na realidade não limita o modelo à análise de investimentos para melhoria do desempenho de redes de distribuição frente a descargas atmosféricas, mostrou-se prático e de grande utilidade na tomada de decisões quanto à realização de determinado investimento considerando as características da região e a efetividade do método de proteção analisado. / Lightning causes damages and losses to power companies, consumers, and the society as a whole. Different methods can be used to improve the power quality and the reliability of the electrical system. However, lightning overvoltages depend upon several parameters, so that the effectiveness of a certain protection alternative depends not only on the network configuration but also on the characteristics of the region, especially the ground flash density and the soil resistivity. Consequently, the cost-benefit ratio corresponding to each alternative depends also on the characteristics of each region. It is important, therefore, that the model for conducting these assessments be capable of taking into account all the factors involved in the process so that it can assist power companies in making decisions on investments in lightning protection. However, models of feasibility analysis that enable to obtain broad economic conclusions to support decision-making are not normally used due to the complexity of the phenomena associated with lightning overvoltages and the difficulty in constructing economic models in this context. For this reason this work proposes a model for the analysis of the cost and benefit of the implantation of lightning protection systems in distribution networks considering the investments, the reduction of the unavailability, and the costs avoided for the distribution power company and the society. The financial analysis is based on the internal rate of return on investments and the cost-benefit ratio, which facilitates the sensitivity analysis and allows for the determination of the conditions under which the alternative will be feasible. The model considers the energy unavailability and the unreliability of the system from the indicators of equivalent duration of interruption per consumer unit (DEC) and the equivalent frequency of interruption per consumer unit (FEC), respectively. The costs avoided due to the reduction of unavailability are treated as benefits. The model is used to analyze the conditions under which the application of a given protection method in a given network is technically and economically feasible. A sensitivity analysis is also done and the influences of several parameters on the cost-benefit ratios corresponding to the regions studied are discussed. However the model, which actually is not limited to the analysis of investments to improve the lightning performance of power distribution networks, has proved to be practical and very useful in the decision-makingregarding the realization of a given investment taking into account the characteristics of the region and the effectiveness of the protection method analyzed.