Examining the Influence of Tower Grounding Resistance on Lightning Overvoltages for 154 kV Overhead Transmission Line with Fork Pylon Tower using ATP-EMTP

Overvoltages by lightning strikes cause significant power outages in electrical power systems and serious damage toelectrical system components. Protective grounding is used in high voltage tower and transformers and it is not applied any specialprotection method other than protective grounding. It is observed that lightning strikes in the overhead transmission line are often seen asthe lightning strike on the lightning protection conductor or a tower. When the transmission line is exposed to a lightning strike, thelightning current flows to the ground via tower grounding. The lightning strike causes high voltages on the tower depending on the towergrounding resistance. If this voltage occurs above the isolator impulse voltage, the isolators will be damaged. Therefore, thedetermination of direct grounding resistance in high voltage transmission lines is very important. In this study, overvoltages due tolightning strikes on the protection conductor or tower of a transmission line with fork pylon tower widely used in 154 kV transmissionlines in Turkey have been analyzed using the Alternative Transient Program (ATP). In the analysis, the equivalent model of the forkpylon tower is defined as non-uniform tower model. The lightning current waveform is modelled as a Heidler function with a lightningpulse of 8/20 μs. The effect of the tower ground resistance on overvoltages occurring in the lightning strikes is evaluated for differentpositions and lengths of the tower grounding electrode. The results show that horizontal grounding in the same earth structure tower withshort electrode length below 5 meters reduces excessive voltages on the insulator. When the length of the electrodes is more than 5meters, vertical grounding can be recommended. Determining the appropriate grounding position by conducting soil analysis in the areawhere the tower will be installed prevents the insulators from overvoltages caused by lightning strikes. In the area where 154 kV forkpylon tower will be installed, the soil structure should be examined in detail and the ground electrode and electrode position should beselected in accordance with the soil structure.

Yıldırım çarpmalarının neden olduğu aşırı gerilimler elektrik güç sistemlerinde önemli elektrik kesintilerine ve sistemelemanlarının ciddi hasar görmesine neden olmaktadır. Yüksek gerilim direklerinde ve transformatörlerinde koruma topraklamasıkullanılmaktadır ve koruma topraklaması haricinde özel bir koruma yöntemi uygulanmamaktadır. Havai iletim hatlarında yıldırımçarpmaları genellikle yıldırımın koruma iletkenine çarpması veya direğe çarpması şeklinde görülmektedir. İletim hattı yıldırım darbesinemaruz kaldığında yıldırım akımı direk topraklaması üzerinden toprağa akar. Yıldırım darbesi direk topraklama direncine bağlı olarakdirek üzerinde yüksek gerilimlerin oluşmasına neden olur. Oluşan bu gerilim izolatör darbe geriliminin üzerinde oluşursa izolatörlerinhasar görmesine yol açar. Bu nedenle yüksek gerilim iletim hatlarında direk topraklama direncinin belirlenmesi oldukça önemlidir. Buçalışmada, Türkiye’ de 154 kV enerji nakil hatlarında yaygın olarak kullanılan çatal pilon direkli iletim hattının koruma iletkenine vetaşıyıcı direğine yıldırım çarpması ile ortaya çıkabilecek aşırı gerilimler Alternative Transient Program (ATP) kullanılarak analizedilmiştir. Analizde çatal pilon direğin eşdeğer modeli üniform olmayan direk modeli olarak tanımlanmıştır. Yıldırım akımı dalga formuise 8/20 μs’ lik yıldırım darbesine sahip Heidler fonksiyonu olarak modellenmiştir. Direk topraklama elektrotunun farklı pozisyonları veuzunlukları için direk toprak direncinin yıldırım çarpmalarında oluşan aşırı gerilimler üzerindeki etkisi değerlendirilmiştir. Sonuçlar, aynıtoprak yapısına sahip direklerde, 5 metre altındaki kısa elektrot uzunluğu ile yapılacak topraklamalarda yatay topraklama yapılmasınınizolatör üzerindeki aşırı gerilimleri azalttığını göstermektedir. Eğer elektrot uzunluğu 5 metrenin üzerinde olursa dikey topraklamayapılması önerilmektedir. 154 kV çatal pilon direklerinin kurulacağı alanda toprak yapısı detaylı olarak incelenmeli ve toprak yapısınauygun olarak topraklama elektrodu ve elektrot pozisyonu seçilmelidir.