TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 12, No. 8, August 201 4, pp. 5814 ~ 5826   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i8.603 3          5814     Re cei v ed Ma rch 3 0 , 2014;  Re vised Ma y 10, 2014; Accepted Ma y 26 , 2014   Reliability Analysis of Surge Arrester Location Effect in  High Voltage Substations      Se y e d Ahmad Hoss eini*, Mohammad  Mirzaie, Tag h i Barfo r osh i   Dep a rtment of Electrical E ngi neer ing, Ba bol  Univers i t y  of  T e chn o lo g y ,  Ba bol,  Iran   *Corres p o n id n g  author, e-ma i l : ahmad hoss e i n i1 11@ gmai l.com      A b st r a ct   High v o ltag e s ubstatio n s as  pivota l sectio n s  of  pow er netw o rk play an i m p o rtant rol e  i n  pow er   netw o rk becau se of supplyi ng  electrical e ner gy for cons u m ers. In recent years w i th incre m e n t of electri c ity  consumption and complexity  of power system , the substa tion stability and protection   against various faults   or overv o lta g e s  has  bee n a   big c onc ern. S u rge  arrest ers  as pr otective  devic e h a s the  respo n si bility  of   attenuati ng  ov ervolta ge d ue  to light nin g  or  sw itch ing occ u rring  in trans miss ion  or dis t ributio n syste m .   Absenc e or fail ure of arrester s inside or n e a r  substa tions c an le ad to loa d  interrupti on an d great outa g e  in   the syste m . Therefor e their  prese n ce   is i ndis pens ab le. De mo nstratin g  the surg e ar resters pres en ce   necess i ty an d  eval uatin g th eir  failur e  i m pact  duri ng  nor ma l  oper ating  con d i tion  an d ov erv o ltag e i n  differ ent  scenar ios of ar rester locati on  and l i g h tnin g s u rge p o siti on i n  view  poi nt of EMT P  simul a tion a nd re li abi li ty   techni qu e is the purp o se of th is pap er.      Ke y w ords : sur ge arrester, E M TP-RV, high  voltag e subs tat i on, rel i ab ility i ndic e s, mi ni ma l cut set    Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  High voltag e  sub s tation s a s  a  key pa rt o f   powe r  sy ste m s conn ect g eneration  sou r ce s to  distrib u tion n e tworks. Fast  growth of el ectri c al en erg y  demand wit h  the develo p ment of po wer  system s makes these substation s m o re important. Therefore,  substation reliability  is an  importa nt co nce r n fro m  b o th utility and cu stome r   points of vie w  [1]. Subst a tions a r e al ways  subj ect to va riou s ove r vol t ages such a s   swit ching  a nd lightni ng t hat may  cau s e  su bstatio n s   failure. The substatio n  failure can lead  to t he outage of so man y  loads in the powe r  syst em,  whi c h can be  catast rop h ic  to the system  [2].  The most dange rou s  o v ervoltage i s  due to lightni ng   surge  whi c h  its frequ en cy rang e is f r o m  10  kHz  to  3MHz. If lightning  strikes the line s  or  the   towers adja c ent to a  sub s tation, cau s e s  ba ck-f lashov er,  the   overv o ltage wave  prop agate s  at  the  sub s tation  an d can  dama g e  sub s tation  equipm ent  su ch  as tra n sfo r mer d r amati c ally. Betwe e n  5% to 10%  o f  the lightnin g - ca used fa ults a r e th oug ht to re sult i n  p e rma nent  da mage to  po wer  system e quip m ent [3].  Surge  arre st ers a r e b e in g appli ed to  system   to mitigate  the overvoltage. As  novel   prote c tion  de vices ag ainst  overvoltag es with  out sta n d ing  ope ratio nal p e rfo r ma nce, m e tal ox ide  surge arrest e r s (MOA )  were  develo ped 20  yea r s  ago  and a r e  no w being  extensively applied i n   power  syste m s to lower t he insulation  level and e n sure lo ng time  reliability of the high volta ge  equipm ent [4]. Their nonlin ear resi stan ce cha r a c teri st ic prote c ts e q u ipment ag ai nst overvolta ges  whi c h  may e x ceed  ba si c l i ghtning  impu lse i n sula tion   level (BIL). Arre sters ca n   be  l o cated on   sele cted  poin t s of the  net work to  obtai n the  re q u ire d  control  of  overvoltage s  [5], particularly  insid e  and n e a r the sub s ta tions. Thu s , surge  arre st ers incre a se the relia bility of the sub s tatio n s  durin g the occurrin g of overvoltage s  esp e cially du e to lightning  surg e.  Ideal surg e a rre sters  sho u l d be o pen  ci rcuit  duri ng n o rmal  ope rati ng conditio n   of the   system  an d  sho r t  circuit  durin g th e ov ervoltage s. B u t the i n sulat i on b ehavio r  of MOA  may be   subj ect to ch ange s due to  different deg radatio n me chani sms that  can be  categ o rized a s  imp a ct  from co ntinu ous o p e r atin g voltage stress, humidif i c ation  cau s e d  by deficien c y in stru ctu r e and   poor  seali ng,  impulse  current stre ss of  insid e  par tial  discha rge, effects of atmo sph e ri c su rfa c e  contami natio n, etc [4]. Th ese fa ctors  can in cre a se  the lea k a ge current of  arre sters an d in cl ine  them to be sh ort circuit esp e cially in the end of  their life. Short circui t  behavior of surge arre ste r s  in norm a l condition of syst em reduces t he reliabilit y of substations. Also  open circuit behavior of  surge a r reste r s  duri ng ov ervoltage  re d u ce s the  reli ability greatly . In gene ral,  mode rn  su rge   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Reliability Analysis of Su rge Arrester Location Effect i n  High  Voltage… (Seyed A h m a d Hossei ni)  5815 arreste r s utili zing  ZnO  blo c ks a r e ve ry  reliabl e ap pa ratus with  a l o w failu re  rat e . A publi s he d   numbe r for di stributio n arresters i s  0.1 %  failures  p e r  year, whil e for high volta ge arre sters the  estimated  fail ure  rate  is ev en lo we r [6].  It can  be  con c lud ed th at f a ilure  of  arre sters  ca n aff e ct  the substation reliability and  can  cause severe harm  to  substation  reli ability or  great  outage  in  the netwo rk.  In addition, location  of su rge arreste r s a ffects the e quipme n t terminal voltage  and  substation rel i ability. They  are often i n st alled i n  the place where the inco mi ng li ne  connects to  the sub s tatio n  and on tra n s form er feed ers.           For the investigation of su rge arresters infl uence on the HV substa tions reliability, firs t  it will be seen from the sim u lation analysis point  of view by Electro Magnetic T r ansi e nt Progra m   (EMTP-RV).  Then it will b e  analyze d   by  mathemati c al  method s giv en for  cal c ula t ing of reliabili ty.  Deh a k  su bst a tion which i s  a  230/6 3  kV sub s tation  in Ne ka, Iran , is sele cted  as a  case st udy.  Asse ssme nts prove,  ab se nce  or fa ilure  of arre ster can imp o se a  seri ou s p r obl em to  sub s tat i on  and lea d  to long time load  unavailability.      2. Sy stem Modeling  Deh a k, a 23 0 / 63 kV and o ne bre a ker a nd half su bst a tion in Ne ka,  Iran, is co nsi dere d  as  ca se  study. It has eight fe eders  co nsi s t s  of  six  line f e ede r s and  two tran sform e r fee ders. T he  singl e line dia g ram of this  substatio n  is shown in Figu re 1.        Figure 1. Deh a k Sub s tation  Single Line  Diag ram        In ord e r to  obtain a c tual  re sults f r o m  simul a tion  of the sub s tation, pa rti c ula r ly in  transi ent co n d ition, prop er models of substati o n  eq uipment an d other comp o nents  sho u ld  be   applie d  to si mulation.  In this se ction variou s  el em ents of  the con s id ere d  system  with   their  model s are in trodu ced.   Owin g to i n h e rent  di stribu ted natu r e  of  tran smi ssi on  line s , fre q ue ncy d epe nde n t (F D)  line is u s e d  to model t r an smissio n  line s  conn ec te d  to the su bsta tion. Electri c a l  para m eters  of  these  line s  t hat mu st be   inse rted i n to  the line  dat a  of FD line s   are  sh own in  Table  1. In t h is  table, R 0 , L 0  and C 0   are  zero  seque nce pa ram e ters and  R 1 , L 1  a nd  C 1  a r e  po sitive sequ en ce   para m eters.     Table 1. Elect r ical Pa ram e ters of Lin e s  Data  Neka  Sari  Kordku y  Kaghazsazi  R 0  ( Ω /km)  0.3184   0.0892  0.4467  0.3255   L 0   (mH/km)  3.8276   2.3679  2.7315  3.2446   C 0  ( μ F/km   0.00473   0.00827  0.005348  0.00607   R 1  ( Ω /km) 0.0612   0.032   0.1058   0.0529   L 1  (mH/km )  1.294   0.9261  2.0094  0.9844   C 1  ( μ F/km )  0.00888   0.0127  0.008775  0.0115     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 8, August 2014:  581 4 –  5826   5816 The choice o f  tower mod e l  in analyzin g  light ning surge in the po wer  system i s  very  importa nt. The steel to wers are usually rep r e s ent e d   as  a single condu ctor distributed  pa ram e te r  line termi nat ed by a resistan ce rep r ese n ting the  tower fo oting impe dan ce [7]. Con s tant  para m eter (CP) line is use d  to simulate  single cond u c tor of towe r model. 160 Ω  and sp eed  o f   light are dete r mine d for towers surg e impeda nce an d wave veloci ty as the principal pa ram e ters  of CP line.   Diele c tri c  strength of  line  insul a tors  u n der  lightnin g   con d ition s  d e pend  on  the   impulse   wave sha pe,  magnitud e  a n d  pol arity. A li ghtning -im pul se volta ge,  wi th a ma gnitud e  that ex cee d s   the critical  flash o ver  (CF O ), may  still  not la st  long  enou gh to  carry  stre ame r s all th e  way  to   compl e te insulation brea kdown [8]. In  orde r to mod e l insulato r string, flashov er switch a s  an  element in E M TP-RV i s  u s ed.    Lightnin g   surge  waveform  ha s  con s id e r able  influe nce on  the  ove r voltage  indu cing  on   sub s tation e q u ipment. Th e  lightning  surge is m odele d  by a cu rre n t and a p a rallel re si stan ce  (Cig re  model ). The resi stan ce valu e is ta ken to  be  40 0 Ω , whi c h  wa s de rived  by Bewley [9]. T h e   stand ard i m p u lse  wavefo rm (1.2/50 )  with the pea k  value of 150 kA is u s e d  for mo deling  of  lightning surg e.  The a pprop ri ate mod e ling  of a  surge  arreste r  i s   si gnifica nt for i n sul a tion  coo r dinatio n  studie s  in order to extract reliable e s timations. Fo r this rea s on,  several fre q uent-d epe nd ent  model s of  Z n O  su rge  arreste r s, u s in g the  phy si cal an d the   electri c al  dat a given  by t he  manufa c turer, have bee n p r opo se d, in a  way that  the model simul a tion  re sults correspon d  to the   actual b ehavi o r of the arre ster [ 10]. In the relate d si mulation, Zn O su rge a r re ster i s  rep r e s ented   by IEEE recommended  model  whi c h is  dem onstrated in Figure  2. T h is model  contai ns  non- linear  re si sta n ce s in t w o l o catio n s  whi c h are sepa ra t ed by an  RL  filter. This  RL  filter provid e s   impeda nce th at differs b e twee n the cases of fast   surges a nd  slo w  surge s  [11]. Table 2  sho w s  IEEE model parameters and other  char acteri stics  of arresters used  in Dehak  substation. In this  table, V r  an d  I d  are  arre ste r  rated volta g e  an d di scha r ge cu rrent resp ectively. Beside s of surge   arreste r  mod e l, the v-i cha r acte ri stic of surge a rre ste r s al so spe c ifies the beh avior of them. Their  cha r a c teri stics sh ould b e  n online a r such  that su rge a r reste r  current  rise s as ove r voltage occu rs   and ab ate to very small val ue wh en overvoltage de ca ys. The arrester lead len g th at the top and  at the  bottom  mu st be   con s ide r ed  to  accou n t for the   effects of a d d i tional voltag e ri se  a c ross  the  lead in du ctan ce. A lum ped   element  rep r ese n tation  with an i ndu ctan ce  of 1 μ H/m  will be suffici ent  [7].         Figure 2.   IEEE Model of Surge Arre sters      Table 2. IEEE Model Parameters and  Characteristi c s of the Arrest ers  Parameter Value  R 1  ( Ω )  143.325   L 1  ( μ H)  33.075   C (nF )   0.04535   R 0  ( Ω )  220.5   L 0  ( μ H)  0.441   V r  (kV)  198  I d  (kA)   10      Und e r lig htning ove r vo ltage, su bst a tion eq uip m ent su ch  as  circuit  brea ke r,  discon ne ctor,  powe r  tra n s form ers an d instru ment  transfo rme r s can be  a pproxim ated  with   cap a cito rs. E quivalent cap a citan c e s  of the su bstatio n  equipme n t are sho w n in T able 3.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Reliability Analysis of Surge A rrester Location Effect i n  High  Voltage… (Seyed A h m ad Hossei ni)  5817 Table 3. Equi valent Cap a ci tance of Sub s tation Equipm ent  Equipment  Equivalent  capacitance  (pF )   Power tr ansform er   2000   Curre nt transfo r m er (C T)   200  Capacitive voltag e transforme r  ( C VT)   5000   Disconnector 150  Circuit breaker   500      Busba r   and  i n terconn ectio n s  between  the  sub s tation  equi pment  should  be  mo deled  by   distrib u ted lin es or lu mpe d  inducta nce. A model  of lumped pa ram e ter indu ctan ce, its unit value   being 1 μ H/m ,  is u s ually t a ke n for  se ctions, the l e ngths  of whi c h d o  n o t e x ceed  15m [ 12],  otherwise di stributed lin e  is u s ed. Deh a k  sub s tatio n  ha s a lon g  bu sba r  mo re than  100 m,  therefo r e CP  model line  sh ould be u s e d   to represent that in simulati on.      3. Simulation Resul t s   By means  of data an d el ements  mod e ls give n in  previou s   se ction, De ha k substatio n   wa s simul a te d by EMTP-RV software wi th the applic a t ion of lightning su rge to  many points  su ch  as in side the  sub s tation, subs tatio n  entrance and lin e  phase.  Simulation shows ove r vo ltage wave shape a nd its amplitude  b a si cally dep e nds  on  locatio n  of lig htning  strike  and po sition  of sur ge a r re sters. Since tran sform e rs  on tran sfo r m e r   feeders  and   cap a cito r volt age tran sformers (CVT )  on the  entra nce,  are  mo re impo rtant t han   other  equi pm ent, their volt age s d u rin g   applying li ght ning  su rge  h a ve be en m e asu r ed  an d t heir   values a r e  sh own in  Tabl e  4 for differe n t  cases  of lightning  stro ke  locatio n  and  surge a r rest ers  positio n. Sim u lation  sh ows if li ghtning   stri kes th e  p o int which i s  farthe r th an  250  m  from  the  sub s tation, o v ervoltage  wave attenuat es d r a s tically and it s am pl itude de crea ses g r e a tly un der  the tran sfo r m e r BIL  (85 0 kV) an d the  CVT BIL  (10 50kV )  a nd th erefo r e  ca n  not ha rm the m .  Acco rdi ng to this table, the  pl aces of surge arre sters are:   a)  Absen c e of a rre ster  (A)  b)  Presen ce of arreste r  in su bstation e n tra n ce (E )  c)  Presen ce of arreste r  in tra n sformer fee der (T)  d)  Presen ce of arreste r  in su bstati on e n tra n ce a nd tran sformer fe ede r (E+T)      Table 4. Maxi mum Indu ced  Voltage due  to Lightning   Ligh tni ng s t rok e    locati o n   Maximu m in du c e d  v o l t age  (kV)   CVT  Transform er   A E  T  E+T  A E  T  E+T  Inside the substation  2823.20  854.59   2640.10  818.11   4331.1   3454.40   999.83  814.22   Substation entra nce  3071.5  1040.60   3071  1038.30   4101.3   1273.10   921.16  575.65   50 m from subst a tion  1028.1   522.50   735.65   518.91   1179.20  808.96   506.03   454.28   100 m from  sub s tation  890.25   492.62   742.49   483.44   1216.6  819.09   498.59   443.94   150 m from subs tation  809.62   481.17   775.66   484.41   1283  836.51   492.72   444.14   200 m from subs tation  711.20   466.75   695.40   465.18   1145  845.90   499.47   457.55   250 m from subs tation  596.78   462.55   596.14   462.55   936.61  800.44   506.02   480.60   300  m  from  subs tation  569.61   442.43  569.32  442.46  824.05  782.70   532.66   528.73   Shaded valu e s  indi cate to the ca se s in which ove r voltage exceed s  the BIL.       4. Reliabilit y   Assessment Method   In previou s  section s , role of surg e a rre ste r s  and their lo cation s impa ct were  investigate d .  No w, reliabilit y techni que s are u s e d  to  analy z e  su rge a r reste r s  effects f r om  the   viewpoi nt of reliability. The equatio ns  whi c h are nee de d for cal c ulati ng relia bility are given in [1 3]  in terms of failure rate ( λ ), repair time (r) and u navai lability  (U) for serie s  and p a rallel  syste m s  that may cont ain one, two  or more co m pone nts.   For sub s tations  reliabilit y evaluation, several techniqu es h a ve been  sug geste d in   different re se arche s  su ch  as Markov modelin g [14 ], minimal cut set [15] and Monte Ca rlo  simulatio n  [1 6]. Cut set  and e s p e ci al ly minimal  cut set te chni que  can  be  an a p p r op ri ate   approa ch for cal c ulating  reliability indices. Cut set i s  a di sconn e c ting  set that brea ks a pa th  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 8, August 2014:  581 4 –  5826   5818 betwe en a lo ad nod e an d  a so urce n o d e  and mi nima l cut set i s  a  cut set whi c h  has n o  sub s ets   [17]. A minimal cut set is the  s m alles t   set of comp on ents th at can  ca use a  sy stem to fail  if they  fail [18].  In this techni que f a ilure mo de s of the  system  should b e  found. The failu re mode s of the   system  are i dentified  eith er vi s ually  or usi ng th e mi nimal  cut  set  metho d  [13].  Some  of the s e  method s are introdu ce d by [1] and [17].    On the ba si s  of cut set techniqu e, by tra c i ng th e path  starting f r om  sou r ce to loa d  point,  failure m ode s can  be fo un d. For  simpli city of finding failure  mod e s,  the sub s tatio n  co nfigu r atio n   can b e  displa yed by graph  whi c h in clude s nod es a s  e a ch n ode rep r esent an ele m ent.      Since  su rg e  arre sters  should  act  co mple tely diffe rent d u rin g  n o rmal  ope rati ng an d   overvoltage  condition s, the r eby  reliabilit y evaluati on  has to b e  pe rformed  for  ea ch  of the s e t w o   con d ition s   se parately. An  i deal  su rge  arrest e r   sh ould  be  open  ci rcuit duri ng  normal op erating  con d ition  an d short  ci rcu i t durin g ove r voltage s.  Po ssi ble  rea s o n s fo r failu re  of an  arre ster  inclu de the fo llowing [6]:   a)  Overloa d ing  of the active  element s by energy or current.   b) Moisture  ingress.  c)  Partial fla s ho ver of o ne  or  se veral u n its  in a m u ltiunit  arreste r   cau s ed by  extern al pollutio n ,  bird s or hi gh  overvoltage s.   d)  Therm a l insta b ility due to the effect of heavy external  pollution.   e)  High temp ora r y overvoltag es.   f)  Dama ge of some blo c ks i n  one o r  several unit s  due t o  ene rgy and  current di sch a rge s   whi c h   lead s to power freq uen cy overloa d  of  the remai n ing p a rt of the arre sters.   g)  Mech ani cal o v erloadi ng which le ad s to an ele c trical failure.   Arre sters ten d  to be  sho r t  circuit  whe n  they  enter f a tigue p h a s e  of their life.  Failure   durin g impul se passa ge m a y occur d u e  to overloadi ng or q uality probl em s su ch as  signifi ca nt  inhomo gen eities in the Zn O blocks, po or ele c trod e adhe sio n  to the material, i n suffici ent su rface   ins u lation, etc [6].   Before evaluating  of substation reliability  fo r the  cases of  differ ent  surge  arrester  locatio n s, the  param eters use d  in this a nalysi s  are int r odu ce d in Ta ble 5.       Table 5. Parameters used i n  the Reliability Analysis  Parameter  Descrip tion   λ sc   short circuit failure rate of a rreste r s dur ing normal c ondition of s y ste m  (fail per  year)   r sc   repair time of a r r e sters due to sho r t circuit failure (hour)   λ oc   open circuit failure rate of a rreste r s during overvoltage (fail per  year )  λ 1 ,  λ 2   busbars failure r a te (fail per  year )   r 1 , r 2   busbars repair ti me (hou r)   λ 3 ,…,  λ 14   circuit breakers failure rate (f ail per  y e ar)   r 3 ,…,   r 14   circuit breakers repair time (hou r)   λ 15 ,  λ 16   po w e r t r ansform ers failure rate  (f ail per  y e a r )   r 15 , r 16   po w e r t r ansform ers repair time ( h our)   t ov  overvoltage  dura t ion  λ L1   Annual number o f  lightning stroke to inside  the substation due to shield w i re  failure   λ L2   Annual number o f  lightning stroke to subs tation entr ance due to shield w i r e  failure   λ L3   Annual number o f  lightning stroke to points bet w e e n   50 m to 250 m  from substation d ue to shield w i re  failur e   P L1   Probabilit y  of an nual lightning stroke to inside the substation due to  shield w i re failure  P L2   Probabilit y  of an nual lightning stroke to substation entrance due t o   shield w i re failure  P L3   Probabilit y  of an nual lightning stroke to points betw e en 50 m to  25 0 m from substation due to shield w i re  failur e       4.1. Modeling of Substati on Reliabilit y   due to Surge Arrester Location   In this part, variou s cases  of surg e arre st er lo cation s with their graph s and eq uation s   are given.    a. Absen c e of  arre ste r  (A)  1) No rmal o p e rating  con d ition   It is worth po inting out tha t  annual light ni ng st ro ke a nd probability  of annual lig htning  stro ke a r e correspon ding a nd have sam e  values.   The graph of  this con d itio n is sh own in  Figure 3.T h e  minimal cut  sets o b taine d  are as   follows :    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Reliability Analysis of Surge A rrester Location Effect i n  High  Voltage… (Seyed A h m ad Hossei ni)  5819 First o r de r: 15  Secon d  order: 1-2, 2-3, 1-5 ,  3-5, 3-4, 1-4   The ave r a ge  failure  rate,  a v erage  un ava ilability and  a v erage  outa g e  time a r e  cal c ulate d   usin g "(1)", "(2)" and "(3)" resp ectively.        Square and  circle a r e  symbols of ci rcuit  brea ke r an d tran sform e r re spe c tively.  Figure  3 . Gra ph of norm a l operating con d ition in  the case of ab se n c e of arre ster    11 5 1 2 1 2 2 3 2 3 1 5 1 5 () ( ) ( ) A rr r r rr      35 3 5 3 4 3 4 1 4 1 4 () ( ) ( ) rr rr r r          ( 1 )       11 5 1 5 1 2 1 22 3 2 3 1 5 1 5 A Ur r r r r r r      3 5 3 5 3 434 1 4 1 4 rr r r r r                                       (2)    11 1 / A AA rU                                                                  (3)                                                                  2 )  O v e r vo ltage  c o nd itio n  The graph of  this co ndition  is sh own in Figure 4.           Figure 4. Gra ph of Overvol t age in the Case of Ab sen c e of Arreste r       Acco rdi ng to simulatio n  ou tcome s  demo n strate d in Table 4, striki n g  the lightnin g  surge  to the poi nts  insid e  the  su bstation,  sub s tation e n tra n ce  and  bet wee n  50  m t o  250  m fro m  the   sub s tation in  the case of  abse n ce of arre ste r  ca n damag e the equi pmen t like CVT a n d   transfo rme r  a nd lead to  substatio n  failure to  supply  load. Loa d point reli ability indice s of thi s   ca se are cal c ulated u s ing " ( 4)", "(5 ) " and  "(6)".    21 2 3 A LL L                                                      (4)    22 1 5 AA Ur                                                                      (5)  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 8, August 2014:  581 4 –  5826   5820 22 2 / A AA rU                                                                 (6)    b. Prese n ce of arre ste r  in sub s tation e n t rance (E)  1) No rmal o p e rating  con d ition   Figure 5  de monst r ate s  t he g r a ph  of  this  con d ition .  As  well  as bu sba r , b r e a ke r  and   transfo rme r  that were co n s ide r ed in p e rvious case,  in this ca se surge arre ster failure is involv ed  in reliability estimation. The mi nimal cut sets are as follows:   First o r de r: 15  Secon d  order: 1-2, 2-3, 1-5 ,  3-5, 3-4, 1-4   T h ir d  or d e r :  17 - 1 8- 19  The load p o in t reliability indice s are give n by "(7)", "(8 ) " and "(9 ) ".    11 5 1 2 1 2 2 3 2 3 1 5 1 5 () ( ) ( ) E rr r r r r    32 35 3 5 3 4 3 4 1 4 1 4 () ( ) ( ) ( 3 ) s cs c rr r r r r r    (7)     11 5 1 5 1 2 1 22 3 2 3 1 5 1 5 3 5 3 5 E Ur r r r r r r r r   33 34 3 4 1 4 1 4 s cs c rr r r r                   (8)    12 2 / E EE rU                                                                 (9)    2 )  O v e r vo ltage  c o nd itio n  In order to calculate th e load poi nt reliability indices  of th is  condition, all the possi bilities  of sub s tation  failure h a ve  to be con s id ered  by refe rral to si mulat i on re sult s gi ven in Tabl e  4 .   Shaded  valu es in  that tabl e indi cate to t he case s in  whi c h ove r vol t age exceed s the BIL, so  that  such values can be  causer of su bstation failure. Fail ure rate of  each possibilit y can be seen in   Table  6 in  whi c h S C  a nd O C   stan d for  sh ort  circuit a nd o pen  circuit  status of a r re ster  r e spec tively.        Triangle is  symbol of surge arrester    Figure 5. Gra ph of Normal  Operating Co ndition  in the  Ca se of Pre s ence of Arre ster in  Substation E n tran ce           Figure 6. Gra ph of overvoltage in the ca se of  prese n ce of arre ste r  in sub s tation  entran c e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Reliability Analysis of Surge A rrester Location Effect i n  High  Voltage… (Seyed A h m ad Hossei ni)  5821 Table 6.   Possibilities of Overvoltage  Co ndition in the  Ca se of Pre s ence of Arre ster in Substati on  Entranc e                      Ligh tni ng s t rok e  locati o n   Entranc e  arrest er  stat us     Failure  rate   Inside the  substation  Substation  entrance   Between 50 m t o  150 m from  substation  *     SC  or  O C   λ L1   *    SC  or  O C   λ L2    *  SC  0     *  O C   P L3 λ oc   SC and O C  stand for short  circuit and o pen ci rc uit status of arre ster re sp ectivel y .      Therefore,  load point  reliability indices  of th is case  are calcul ated  using "(10)", "(11)"  and "(1 2 )".     21 2 3 E LL L o c p                                               (10)    22 1 5 EE Ur                                                                    (11)    22 2 / E EE rU                                                               (12)    c. Presen ce o f  arre ster in transfo rme r  feeder  (T)  1) No rmal o p e rating  con d ition   With the hel p of Figure  7 minim a l  cut se ts and load point reli ability indices  can be  obtaine d.   First o r de r: 15, 17     Secon d  order: 1-2, 2-3, 1-5 ,  3-5, 3-4, 1-4     11 5 1 2 1 2 2 3 2 3 1 5 1 5 () ( ) ( ) Ts c rr r r rr     35 3 5 3 4 3 4 14 1 4 () () ( ) rr rr r r     (13 )     1 1 51 5 1 21 2 2 3 2 3 1 5 1 5 Ts c s c Ur r r r r r r r   35 3 5 3 4 3 4 1 4 1 4 rr r r r r                  (14)      11 1 / TT T rU                                                                  (15)        Figure 7. Gra ph of Normal  Operating Co ndition  in the  Ca se of Pre s ence of Arre ster in  Tran sfo r mer Feede r      2 )  O v e r vo ltage  c o nd itio n  Same a s  pre v ious  ca se  a ll the  po ssibi lities h a ve to  be  verified   and th en  loa d  poi nt  reliability indi ces can be estimated.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 8, August 2014:  581 4 –  5826   5822 21 2 3 TL L L o c p                                                (16)    22 1 5 TT Ur                                                                     (17)    22 2 / TT T rU                                                                (18)        Figure 8. Gra ph of Overvol t age in the Case of  Pre s e n ce of Arre ster in Transfo rmer Fe ede r          Figure 9.   Gra ph of Normal  Operating Co ndition in  the  Ca se of Pre s ence of Arre ster in  Substation E n tran ce an d Tran sfo r mer  Feede r      Table 7.    Possibilitie s of Overvoltage Condition in th e Ca se of Pre s en ce of Arre ster in  Tran sfo r mer Feede r                      Ligh tni ng s t rok e  locati o n   Transf ormer arrester  stat us   Failure  rate   Inside the  substation  Substation  entrance   Between 50 m t o  150 m from  substation  *     SC  or  O C   λ L1  *    SC  or  O C   λ L2    *  SC  0     *  O C   P L3 λ oc       d. Prese n ce of arre ste r  in entran c e a nd  transfo rme r  feede r (E+T)  1) No rmal o p e rating  con d ition   Cut set s  and i ndexe s  of this ca se a r e a s  follows:   First o r de r: 15, 20  Secon d  order: 1-2, 2-3, 1-5 ,  3-5, 3-4, 1-4   T h ir d  or d e r :  17 - 1 8- 19  () 1 1 5 1 2 1 2 2 3 2 3 () ( ) ET s c rr r r     15 1 5 3 5 3 5 3 4 3 4 () ( ) ( ) rr r r r r      14 1 4 33 ) () ( 3  s cs c rr r                                              (19)  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Reliability Analysis of Surge A rrester Location Effect i n  High  Voltage… (Seyed A h m ad Hossei ni)  5823   () 1 1 5 1 5 1 2 1 22 3 2 3 E T sc sc Ur r r r r r      33 15 1 5 3 5 3 5 3 4 3 4 1 4 1 4 s cs c r r rr rr r r r             ( 2 0 )     () 1 ( ) 1 () 1 / E T ET ET rU                                            (21)        Figure 10.   Graph of Overv o ltage in the  Ca se of Pre s enc e of Arre ster in Substati on Entran ce  and  Tran sfo r mer Feede r      2 )  O v e r vo ltage  c o nd itio n  Owing to  presence of more t han one arre ster in thi s  case, the number of possibilities  that have to be con s id ere d  become mo re , that are sho w n in Tabl e 8 .   Owin g to ve ry  sm all valu e o f  overvoltag e  duratio n  (aro und fe w  microse c o n d s ), th e term s  including t ov   can  be ignored, i.e. probability of entra nce and transformer  arresters failure  simultan eou sl y is practi cal l y impossi ble .  So  load point reliability  indice s ca n  be written as   follows :  () 2 1 2 2( ) ET L L o c pp                                           (22)    () 2 ( ) 2 1 5 ET ET Ur                                                       (23)  () 2 ( ) 2 ( ) 2 / ET ET ET rU                                         (24)    Finally after  cal c ulating the  average fai l ure rate and aver age unavailability of normal  operating  an d overvolta g e  con d ition s   separately, total value  of e a ch  ca se  ave r age  failure rate   and ave r a g e  unavaila bility will be  su m of conditi o n s one s  of e a ch   ca se. Consequ ently  total  averag e re pai r time is divisi on of total averag e unavail ability on total average failu re rate.       Table 8.   Possibilities of Overvoltage  Co ndition in t he  Ca se of Pre s ence of Arre ster in  Tran sfo r mer Feede r               Ligh tni ng s t rok e  locati o n   A r res t er st atu s   Failure ra te   Inside the  substation  Substation  entrance   Between 50 m  to 150 m from   substation  Entrance  arres t er   Transform er  feeder a rrester   *     SC  SC  0  *     O C   SC  P L1 λ OC   *     SC  O C   P L1 λ OC   *      OC   OC   2p L1 λ oc ( λ oc t ov )   *    SC  SC  0   *    O C   SC  P L2 λ OC    *    SC  O C   P L2 λ OC    *     OC   OC   2P L2 λ oc ( λ oc t ov )     *  SC  SC  0     *  O C   SC  0     *  SC  O C   0     *   OC   OC   2P L3 λ oc ( λ oc t ov )  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.