Implementation of an analytical formulation for LEMP to assess the lightning performance of a distribution line
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This paper presents the implementation of an analytical formulation to calculate the lightning electromagnetic pulse (LEMP) assuming a current wave-shape linearly rising with flat top and a transmission Line (TL) return-stroke model. It also describes the development of the expressions for the image dipoles required to calculate the vertical electric field, the azimuthal magnetic field and, specially, the horizontal electric field. The expressions to calculate the contribution of source dipoles were detailed in a previous publication by other authors. The complete formulation is used to calculate electromagnetic fields and lightning-induced voltages on a typical overhead distribution line. The results were compared with traditional formulas to calculate the LEMP (such as Rubinstein’s) and to calculate induced voltages (such as Rusck’s) showing errors below 1%. If a more complex wave shape was used (such as Heidler’s), errors below 5% were found. Additionally, the formula was employed to calculate the flashover rate of a distribution line above a ground with infinite and finite conductivity. Errors less than 5% were found compared to the results obtained in the IEEE 1410 Standard. On the other hand, the computation time required to the assessment of an overhead line indirect lightning performance is reduced by half when the analytical formula is used.
Este artículo presenta la implementación de una formulación analítica para calcular el campo electromagnético producido por rayo (LEMP), asumiendo una forma de onda de la corriente tipo rampa plana y un modelo de línea de transmisión (TL) para la descarga de retorno. Se presenta el desarrollo de las expresiones para los dipolos imágenes necesarios para calcular el campo eléctrico vertical, el campo magnético azimutal y especialmente el campo eléctrico horizontal. Las expresiones para calcular la contribución de los dipolos fuentes se presentaron en una publicación previa de otros autores. La formulación completa se usó para calcular los campos electromagnéticos y las tensiones inducidas por rayo en una línea de distribución aérea típica. Los resultados fueron comparados con las fórmulas tradicionales para calcular el LEMP como la fórmula de Rubinstein y para calcular tensiones inducidas como la fórmula de Rusck mostrando errores menores al 1%. Si una forma de onda más compleja se usa como la fórmula de Heidler, se encuentran errores menores al 5%. Adicionalmente, la fórmula se empleó para calcular la tasa de fallas de una línea de distribución aérea para terrenos con conductividad finita. Se encontraron errores menores al 5% comparados con las obtenidas en el estándar IEEE 1410. De otro lado, el tiempo de cómputo requerido para la evaluación del desempeño ante rayos de líneas de distribución se reduce a la mitad cuando se usa la fórmula analítica.
Este artículo presenta la implementación de una formulación analítica para calcular el campo electromagnético producido por rayo (LEMP), asumiendo una forma de onda de la corriente tipo rampa plana y un modelo de línea de transmisión (TL) para la descarga de retorno. Se presenta el desarrollo de las expresiones para los dipolos imágenes necesarios para calcular el campo eléctrico vertical, el campo magnético azimutal y especialmente el campo eléctrico horizontal. Las expresiones para calcular la contribución de los dipolos fuentes se presentaron en una publicación previa de otros autores. La formulación completa se usó para calcular los campos electromagnéticos y las tensiones inducidas por rayo en una línea de distribución aérea típica. Los resultados fueron comparados con las fórmulas tradicionales para calcular el LEMP como la fórmula de Rubinstein y para calcular tensiones inducidas como la fórmula de Rusck mostrando errores menores al 1%. Si una forma de onda más compleja se usa como la fórmula de Heidler, se encuentran errores menores al 5%. Adicionalmente, la fórmula se empleó para calcular la tasa de fallas de una línea de distribución aérea para terrenos con conductividad finita. Se encontraron errores menores al 5% comparados con las obtenidas en el estándar IEEE 1410. De otro lado, el tiempo de cómputo requerido para la evaluación del desempeño ante rayos de líneas de distribución se reduce a la mitad cuando se usa la fórmula analítica.