Lightning Induced Overvoltages Caused by Non-Vertical Lightning and Earth Current Behavior

Les surtensions induites par la foudre deviennent un sujet important dans le domaine des réseaux de distribution. Une évaluation précise des tensions induites est très essentielle pour la protection contre la foudre. Un problème des évaluations existantes est qu'un canal de foudre vertical et une terre parfaitement conductrice, qui ne sont pas réalistes, sont supposés dans la plupart des cas. Ces hypothèses nécessitent des recherches plus approfondies pour une évaluation précise de la tension induite. L'objectif principal de cette thèse est de révéler et résumer (1) les influences de la foudre non verticale sur les surtensions induites par la foudre dans les réseaux de distribution et (2) le comportement du courant de foudre dans une terre avec pertes, pour une évaluation précise des tensions induites. Pour (1), les circuits du modèle FDTD pour représenter la foudre non verticale sont construits et les influences de la foudre non verticale sur les tensions induites sont étudiées avec diverses conditions telles que la forme d'onde du courant de foudre, la géométrie du canal de foudre, l'état de la terre et la distribution ligne, etc. De plus, le mécanisme des changements est discuté en comparaison avec une formule analytique. Il est clair que l'inclinaison de la foudre vers la ligne augmente considérablement les tensions induites. Les tensions atteignent plus de deux fois plus que celles du boîtier vertical. L'inclinaison le long de la ligne ne montre que des différences mineures sur la tension de crête alors qu'elle rend le profil de tension le long de la ligne asymétrique. Des tendances similaires sont observées même lorsque l'on suppose une ligne triphasée réaliste avec mises à la terre et parafoudres. Les connaissances acquises dans cette thèse indiquent clairement que les influences de la foudre non verticale doivent être prises en compte pour une évaluation précise des surtensions induites par la foudre. Pour (2), les circuits du modèle FDTD sont validés par rapport aux résultats expérimentaux dans des articles publiés, et les influences de la distance de la foudre, de la position de la foudre sur la ligne, de la structure de mise à la terre, de la position du fil neutre, etc. sont étudiées par la FDTD. Il est confirmé que le couplage électromagnétique foudre-terre influence le courant de surface de la terre et l'augmentation du potentiel de terre (GPR) qui en résulte pendant une période transitoire, et donc l'inclinaison de la foudre rend le courant et le GPR différents du cas vertical.

Abstract

Lightning induced overvoltages are becoming one of the most important topics in the field of distribution networks. An accurate evaluation of the induced voltages is essential for the design of lightning protection. One problem of existing evaluations is that a vertical lightning channel and a perfectly conducting earth, which are not realistic, are assumed in most cases. These assumptions require further careful investigations for an accurate induced-voltage evaluation. The main objective of this thesis is to reveal and summarize (1) the influences of non-vertical lightning on the lightning induced overvoltages in the distribution systems and (2) lightning current behavior in a lossy earth, for an accurate evaluation of the induced voltages. For (1), FDTD model circuits to represent the non-vertical lightning are built and influences of the non-vertical lightning on the induced voltages are investigated with various conditions such as lightning current waveform, lightning-channel geometry, earth condition, and distribution-line configuration etc. In addition, the mechanism of the changes is discussed in comparison with an analytical formula. It is made clear that lightning inclination toward the line significantly increases the induced voltages. The voltages reach values that are more than two times larger than those of the vertical case. The inclination along the line shows only minor differences on the peak voltage while it makes the voltage profile along the line asymmetric. Similar trends are observed even when a realistic three-phase line with groundings and arresters is assumed. The knowledge obtained in this thesis clearly indicates that the influences of non-vertical lightning should be considered for an accurate evaluation of lightning induced overvoltages. For (2), FDTD model circuits are validated in comparison with experimental results in published papers, and influences of lightning distance, lightning-struck position to the line, grounding structure, neutral wire position etc. are investigated by FDTD. It is confirmed that lightning-to-earth electromagnetic coupling influences the earth surface current and resulting ground potential rise (GPR) in a transient period, and thus the lightning inclination makes the current and GPR different from the vertical case. The coupling effect should be considered for accurate earth current and GPR studies. When there is a distribution line nearby, a large portion of lightning current flows into the nearby line via its groundings. Although the current itself does not make a large difference to the induced voltage, it would cause lightning surge problems in the line.