TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 13, No. 1, Janua ry 201 5, pp. 42 ~ 5 6   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 13i1.684 4          42      Re cei v ed O c t ober 1 4 , 201 4; Revi se d Novem b e r  10, 2014; Accept ed No vem b e r  28, 2014   Effective Facto r s on the Generated Transient Voltage in  the Wind Farm due to Lightning      M. A. Abd-Allah, Mahmoud N. Ali, A. Said*    F a cult y   of Engi neer ing at Sh o ubra, Ben ha U n iversit y , Eg ypt   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : abde lrahm an .ghon iem@f e n g .bu.ed u.eg       A b st r a ct   Accordi ng to  r eports th at ha d b een  pu bl ish ed i n   many  pa pers, w i nd t u rb ines (W T s ) fau l t du e t o   light nin g   is o n e  of th e  most  dif f icult ch all e n g e s . Lig h tni ng  ov ervolta g e  le ad   to  malfu n ctio n  in th e w i n d  far m   equ ip me nts. T hese  i m pr oper   function in g co n t ain  of malfu n c t ion  electro n ic  equ ip me nts a n d  d e for m atio n  of  transformer w i ndi ng  an d Sur ge  arrester fa il ures. T h e   trav elli ng  w a ves w h ich  are  ge ner ated  du e to  hi g h   grou nd p o tenti a l rise u n d e r li g h tnin g struck turbin e caus e these pro b l e ms. T o  evalu a te th ese cases, it  must   be perfor m ed  an accur a te an alysis on the w a ve sha pe  an d  level of the Li ghtni ng overv o ltage a nd gro u n d   potenti a l ris e . T h is pap er inv e stigates th e e ffective fa ctors on the w a ve sh ape a nd l e ve l of the overvo ltag e ,   GPR and sur ge arrester b u r nout. T hese factors are in c l ude d i m pu lse  Current-s econ d character i sti cs,  positi on of  l i ght nin g ,  inc epti on ang le, mu ltipl e  light ni ng strok e s and chopped curre nt. ATP-EMTP simulation  progr a m  is  ap plie d to  an aly z e the  lig htni ng  over-vo l tag e   of onsh o re w i nd far m . T h is  pap er pr ovid es  a   practica l proce dure of li ghtn i n g  protectio n .     Ke y w ords : W T s, current-second ch aracteri stics,  lightni ng  overvo ltage, GPR, AT P/EMTP         Copy right  ©  2015 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  With a rapi d gro w th in win d  power ge n e ration, lightn i ng ha zard to wind turbi n e s  (WTs)  has  co me to  be rega rde d   with mo re att ention.  Due t o  their  gre a t  height, di stin ctive sh ape,  and   exposed l o ca tion, WT s are extrem ely  vulnera b le to  lightnin g   stroke. Afte r a   WT i s  struck by  lightning, hig h  lightning current flows  throug h the WT and  cau s e s  co nsid erable dam age  to  electri c al  eq uipment  in side the   WT  stru cture a n d w i nd  tur b ine  n a c e lle   r e s u lts s t op   o f  the  gene rato r op eration a nd p r oba bly expe nsive re pai rs  [1].  In orde r to de cre a se do wnt i me, repai rs a nd blad e dam aged. Prote c t i ng the blad e  is very  importa nt an d well -d esig n ed lightni ng  prote c tion i s   a ne ce ssity f o r thi s  eq uip m ent so Mo d e rn  wind  turbine   blade s  are   made  of in sulating  materials  su ch  a s  gla s s fibe r  reinfo rced  pl astic  (GF R P) a s   a  comm on m a terial o r  woo d  epoxy. The  lightning  pro t ection of  win d  turbi ne bl a des  can   be  cla ssi fied  a s  re cep t or,  metalli c cap, me sh wi re,  a nd metal lic con d u c tor  as  repo rted  in  IEC-61 400 -2 4 stand ard s .   In gen eral, th e proble m  of  lightning  protection  of  win d  turbi ne  bla des is to  con duct th e   lightning  current safely from the attachment  poi nt on the bla d e  to the hub  and then to  the   grou nd.   Ho wever  ano ther  seri ou s  probl em  kno w n a s  "ba c k-flow surg e"  whi c h n o t onl y cau s e s   damag es to t he win d  turbi ne that ha s b een st ru ck  b u t  also the oth e r turbi n e s  th at have not. The   back-flo w  su rge phe nom enon   ha s b een defined   as  the  su rge flo w ing  from a  cu sto m er’ s   stru cture su ch as a  com m unication t o we r into th e  distrib u tion l i ne. High  re sistivity soil often   make s Surge  Arreste r s (S As) at towe r grou ndin g  sy stem s ope rat e  in reverse a nd allow b a ckflow   of su rge  cu rrent to the g r i d . The p hen omeno n of   surge  inva sion  from a  win d  turbin e that  is  stru ck by li gh tning to  the  di stributio n li ne  in  a  wind  farm is quite  s i milar to the cas e  of  “back - f l ow  s u rge” [2].  Due to  signif i cant influe nce on the  win d  fa rm be ha vior und er lig htning, the transi ent  respon se m u st be eithe r  a c curately a n a l yzed. So in this pa per  win d  farm comp onent mo del  is   impleme n ted  using ATP_ EMTP. Characteri stics  an d hazard s  of  back-flo w  surge in o n sh ore  wind fa rm a r e  analyzed a n d  discu s sed.  Effective  Fact ors on th e Transi ent Volta ge Ge ne rated  in  the Wind  Farm due to Lig h tning a r e a nalyze d .  The s e fa ctors are inclu ded i m pulse Current- Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Effective Fa ctors o n  the Ge nerate d  Tra n s ient  Voltage  in the Wind F a rm … (M. A.  Abd-Allah )   43 se con d  cha r acteri stics, p o sition   of  lig htning,  in ce p t ion an gle,  multiple lig htning  stro ke s and  cho ppe d cu rrent. This pap er provide s  a pr a c tical p r o c edure of lightning protectio n .      2. Descrip tio n  and Modeli ng of the  On shore  Wind Farm  Figure 1  sho w s l a yout of  ons hore wind   farm comp o s ed of  two i dentical wi nd  power  gene rato rs.  Boost tran sfo r mers for the  generators ar e in stalled  in vicinity of  the wind turb ine   towers. All b oost tran sformers a r e  co nne cted to  t he g r id via  grid -interactiv e  tran sfo r me r by   overhe ad di st ribution  line.  Surge  arre sters are in se rted to the  pri m ary an d  se con dary  side s of   the boo st and  grid-i ntera c ti ve transfo rme r s.            Figure 1. Win d  farm model  [2]      Table 1  give s the  req u ire d  data fo r m odelin g the  gene rato rs  o f  the wind t u rbin es,  transmissio n line and tra n sf orme rs.       Table 1. Win d  Turbi n e s , Tran sform e rs  Data an d co n necte d line d a ta [2]  Wind Turbine Mo del(S y n chro nous  Gene rator -   Y  co nnected)   Voltage (line rms)   0.660 [kV]  Rated po wer    1.0 [MVA]  Leakage reactan c e   0.1 [H]   Freque nc y    60.0  [Hz]   Transform er Mod e l (Boost, Grid -In t eractive)  Connection meth od   Y     /   ∆  ,      Y     /   ∆   Voltage (line rms)   0.660/6.6 [kV], 6 6 .0/6.6 [kV]  Rated po wer    1.0 [MVA], 10.0 [ M VA]  Leakage reactan c e   0.15 [p.u]   Copper losses  0.005 [p.u]   No-load losses  neglected  Line Model (values at 60 Hz)   positive / zero phase resistance [ Ω /Km] 0.00105/0.02 1   Positive / zero phase inductance [mH/Km]  0.83556/2.50 067   Positive / zero phase capacitance [nF/Km]   12.9445/6.47 23       A cu rre nt fun c tion m odel  called  Heidl e r  is n o w  used  widely to  mo del a li ghtnin g  current   [3-5]. Equation (1 ) rep r e s ent s the lig htning curren t. A 400  Ω  lightning path  resi stan ce  wa s  con n e c ted sh unt to the sim u lated natu r al  lightning a s  shown in Figu re 2.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 13, No. 1, Janua ry 2015 :  42 – 5 6   44 2 / 2 1 2 1 ] 1 ) / [( ) / ( ) ( t o e t t I t i                                                                                                   (1)                                                                                                                     Whe r e I 0 : the pea k of curre n t,   τ 1 ,  τ 2 :  time con s tant s o f  current ri sin g  and droppi n g .          Figure 2. Ligh tning cu rrent model       The d o wn  co ndu ctor i n  the  blad e a nd th e wi nd tu rbin e tower  have  been  con s ide r ed  as  a   lossle ss tran smissi on line  a nd they we re  estimat ed  according to foll owin g experi m ental eq uati o n   [4-7], Equatio n (2), where the do wn co n ducto r and  th e tower often  were treated  as a cylind r i c al  c o nd uc to r .       ) 2 2 2 (ln 60 h r Z                                                                                                                       (2)    Whe r e, Z is the su rge imp edan ce, r an d h  are the radiu s  and he i ght of the cylinder,   respe c tively. The  win d  to wer i s  ta ke n  a s  a n  i r on  vertical  con d u c tor  of 60  m  h e ight  and  3.0   m  radiu s .     The ove r he a d  line s  a r e  consi dered  an d re presente d  by  single - p hase p o sitive  wave  impeda nce (i. e . Surge imp edan ce ) with  the light velocity.    C L / Z 0                                                                                                                              (3)    s m LC v / 1                                                                                                                (4)     Whe r e, C an d L are the capa citan c e a nd  indu ctan ce of line, resp ectively, Z 0  is the surg e  impeda nce a nd v is the propag ation vel o city [3, 8].  A simplified  model of  surge  arrester  was derived from IEEE model [9, 10]. The model   circuit is sho w n in Figu re  3. This mode l is co mp ose d  by two sect ions of nonli n ear resi stan ces   usu a lly desi g nated by A0  and A1 whi c h a r e sepa rated by indu ctan ce L1  an d L0. A para llel  resi stan ce  Rp (a bout 1  M Ω ) i s  added to avoid the numeri cal i n st ability of the  combi nation  of the   curre n t sou r ce and no nline a r elem ents.            Figure 3. Pinceti and Gi an nettoni model   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Effective Fa ctors o n  the Ge nerate d  Tra n s ient  Voltage  in the Wind F a rm … (M. A.  Abd-Allah )   45 In ca se  medi um an d hi gh  voltage level s  the in du ctan ce s L 1  a nd L 0  in th e mo d e l are in   μ H and  cal c ul ated usi ng:     Un Ur Ur T Ur L 20 / 8 20 / 8 2 / 1 4 1 1                                                                                                    (5)                                                                                                                                                                                                                                                        Un U r Ur T Ur L 20 / 8 20 / 8 2 / 1 12 1 0         (6)     In case low  voltage level s  the indu cta n ce s L1 a n d  L0 in the model are in  μ H and  cal c ulate d  usi ng:    L1=0.03Un                                                                                                                                                 (7)                        L0=0.01Un                                                                                                                                                (8)     Whe r e  Un i s  the arre ster  ra ted voltage in  kV,  Ur1/T2 is the re sidu al   voltage at 10  kA fast   front cu rrent  surge (1/T2  μ s). Ur8/2 0  is t he re sid ual voltage  at 10  kA cu rrent su rge  with 8/20   μ s  time param eters.    The n onlin ea r cha r a c teri stics of the  two   element s A0   and A1  are b a se d o n  the  pu d a ta  publi s hed  in [ 11]. In this pa per  Groun d system mo del  is b a sed o n  t he n online a r  perfo rman ce   of  the groun din g  re si stan ce  with hig h   currents i. e. hig h  voltage, hi gh fre que ncy  model [1 3]. The   nonlin earity n a ture of the  g r oun d resi sta n ce  ca n be  repre s e n ted b y  a nonlin ear resi stan ce,  RT,  who s e valu e is given a s  [12];    ) ( 1 ) ( 0 0 Ig i For Ig i R Rt Ig i For R Rt                                                                                                 (9)                                                                                                                           Whe r e, i  is t he  cu rre nt t h rou g h  the  rod  (kA ) , and Ig is  the  c r itic al  c u rrent for  s o il  ionization (kA )  whi c h is giv en by:    2 0 0 2 R E Ig                                                                                                                                         (10)                                                                                                                                                                         Whe r e, E0 is the critical soil ionization  gr adi ent and  R0 con s tant resi stan ce an d given   by:     } 1 4 {ln 2 0 a l l R                                                                                                                   (11)                      Whe r e,  ρ  is the soil resi stivity ( Ω .m), L is the electrod e lengt h (m)  and a is the e l ectro de  radiu s  (m ).        3. Results a nd Discu ssi on  In this  study,  the lightni ng  stro ke  is taken a s   stri king  win d  turbine  (WT#1 )  a s   shown in   Figure 4. Ligh tning cu rrent waveform of 51kA - 2/63 1 μ s is used in this study.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 13, No. 1, Janua ry 2015 :  42 – 5 6   46     Figure 4. lightning hit WT# 1  [3]    In this ca se, voltages at fo ur differe nt locati on s (at G enerator term inal with light ning hit,  6.6 kV  sid e s of the  boo st transf o rme r s a nd th e g r id-inte r a c tive tran sform e r) are  taken f o r  analysi s .   Figure 5 sh o w s the voltag e waveforms and its  pea k value at different lo cation s of the  wind farm. It is observed  that the peak ma g n itud e of the gen erated ove r v o ltage at WT#1  gene rato r terminal  can  be   as  high  a s  1 2 5 kV, at  (WT# 1) b o o s t tra n s form er se co ndary  sid e   re ach  to 111kV, at (WT# 2) bo ost  transfo rme r  seco nda ry sid e  rea c h to 25 kV and at g r i d  rea c h to 27 kV.  Also these wave form s oscillate  with hi gh fre quency .  It is clear t hat  the  surge hitting  WT #1,  whi c h  wa s  struck  by light ning,  was p r opag ated to  the adj ace n t  turbine  an d t he g r id th rou gh  collecting point.      (a) Voltag e o n  Gene rato r WT# 1     (b) Voltag e at boost tra n sfo r mer voltag e  (WT #1 )       (c) Voltage at  boost tra n sfo r mer voltag e  (WT #2 )       (d) Voltag e at primary g r id  voltage   @ G en er at or @ W T # 1 @ W T #2 @ G r i d 0 20 40 60 80 10 0 12 0 27 k V 25 k V 11 1k V 12 5 k V Vol t age( k V ) No d e   (e) Pea k  valu e of voltage at different location in win d  farm     Figure 5. Voltage waveforms thro ugh p hase (a )  ( f il e m o d e lw in d11 . p l4;  x - v a r  t )    v : X 0 001A       0. 0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1. 0 1. 2 [m s ] -2 0 0 20 40 60 80 100 120 140 [k V ] (f i l e  m o d e l w i nd11. pl 4;  x - v a r  t )    v : X 0002A        0. 0 0.2 0. 4 0.6 0. 8 1.0 1. 2 [m s ] -2 0 0 20 40 60 80 10 0 12 0 [k V ] (f ile  m odel w i nd1 1. pl4;  x - v a r  t )    v : X 0004 A       0. 0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1. 0 1. 2 [m s ] -2 0 -1 0 0 10 20 30 [k V ] ( f ile  m o de lw in d 1 1 . p l 4 ;  x - v a r t )    v : X 0 005 A      0. 0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1. 0 1. 2 [m s ] -1 5 . 0 -7 . 5 0. 0 7. 5 15 . 0 22 . 5 30 . 0 [k V ] Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Effective Fa ctors o n  the Ge nerate d  Tra n s ient  Voltage  in the Wind F a rm … (M. A.  Abd-Allah )   47 Figure 6   sho w s the  GPR  wave fo rm  at  WT# 1  a nd it s pea k value  a t  different l o cations of  the wi nd fa rm . It is o b serve d  that the  p e a k  magnitu de  of the  GPR  at WT #1  rea c h to 1 2 6 k V ,  at  (WT #2 ) rea c h  to 8 k V a nd  a t  grid  re ach t o  10 kV. It is  clear that the   GPR i s   eno u gh hi gh to   ca use   Bac k  flow c u rrent.       (a) GP R w a v e form at WT # 1   @W T # 1 @ W T # 2 @G r i d 0 20 40 60 80 100 120 10k V 8k V 12 6k V G P R  pe ak ( k V ) N ode   (b) Pea k  valu e of GPR at different locati on in  wind farm   Figure 6. GPR at different  locatio n s of the win d  farm       The Surge Arreste r  (SA )  b u rno u t dep en ds on  th e he at prod uced  by the curre n t flowing   throug h the  arreste r  exce eds its th erm a l limi t. The absorb ed en ergy can be  obtaine d in watt- hour [14]:       T dt t P w 0 3600 / ) (                                                                                             (12)    Where, P(t )  i s  the i n stantaneous power  in watt.  The absorbed energy in  kJ i s   cal c ulated  as:     Energy =  3,6  x W                                                                                                                          (13)                                                  (a) T hermal limit of SA    (b) Ene r gy co nsum ption of SA @ WT#1   @W T # 1 @ W T # 2 @ G r i d 0, 0 0, 2 0, 4 0, 6 0, 8 1, 0 T h em al  l i m i t   1 5 k J Cons umption energy  (K J ) No d e   (c) SAs co nsumption en ergy at  different location in  wi nd farm   Figure 7. Energy con s u m pt ion of  surge a rre ster  at different lo cation s of the wind  farm   (f i l e  m o del w i nd11 . p l 4 ;   x - v a r t )    v : XX0 0 8 0        0. 0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1. 0 1. 2 [m s ] -1 0 10 30 50 70 90 110 130 [k V ] Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 13, No. 1, Janua ry 2015 :  42 – 5 6   48 Figure 7 sho w s the en erg y  consu m ptio n of surge a r rester th roug h  phase (a) lo cated at   6.6 kV side  of boost tra n sfo r mers at WT s#1, 2 and at  the prim ary si de of grid. It is ob serve d  that  the SA in phase a  at the  wind turbi n e  that wa s a c tually stru ck  consumed the  large s t ene rgy,  then SA at WT#2 an d G r id   con s u m e le ss  ene rgy. Th e re sult  sho w s that t he a b sorbe d  en ergy of  surge a rre ste r s at turbi n e s  and gr i d  are highe r but wit h in limits.      4. Effec t iv e  Factor on G e nera ted Tr a n sient Volta g es.   4.1. Effec t  of Lightning T y pe   Thre e lightni ng surg es  a r e u s ed i n  this inve stigat ion [15, 16].  Table 2  gi ves the   cha r a c teri stics of each ligh t ning su rge.     Table 2. Light ning Surge s  Cha r a c teri stics (St and ard f o r Lightni ng  Protectio n  an d Lightnin g   Strength in Japan )  Lightning t y pe   Peak value [kA]   Front time [ μ s]  T a il time [ μ s]   Japan  Summer #1   30.0  2.0  70.0  Winter  #2   51.0  2.0  631.0   Case  #3   200.0   10.0  350.0     (a) Voltag e w a v e form s @ W T# 1   @W T # 1 @ W T # 2 @G r i d 0 50 100 150 200 30k A  2/ 70us 51k A  2/ 631us 200k A  10 / 350 us N ode v o lt age ( k V )  (b) Compa r i s on between p eak valu es of  voltage  at each n ode     (c ) GPR  wav e form s @ W T # 1   @W T # 1 @ W T # 2 @G r i d 0 50 100 150 200 250 3 0 k A  2/ 70 us 51k A  2/ 6 31us 2 00k A  10 / 3 50u s No d e GP R( k V )   (d) GP R at different locatio n s of the win d  farm     (e) SA co nsu m ption ene rg y waveform s  @W T#1  @W T # 1 @ W T # 2 @G r i d 0 5 10 15 20 25 t her m a l  Li m i t ( 1 5   k J ) 51k A  2/ 631us 200k A  10/ 350us A r re s t e r  ab so rb a t io n en er g y   ( k J ) NO DE   (f) co mpa r iso n  of SA energ y  consumptio n at  different location   Figure 8. overvoltage s, GPR and a r reste r  absorption e nergy at di fferent locatio n s  of the wind  farm und er di fferent type of lightning   0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1 1. 2 x 1 0 -3 -0 . 5 0 0. 5 1 1. 5 2 2. 5 x 1 0 5 Ti m e  i n  S e c V o l t age  @ W T # 1  i n  (k V )     30 k A - 2 / 7 0u s 20 0k A - 10 / 3 50 us  5 1 k A - 2 / 6 31 us 0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1 1. 2 x 1 0 -3 -0 . 5 0 0. 5 1 1. 5 2 2. 5 3 x 1 0 5 Ti m e  i n  S e c G P R  @ W T #1 i n  ( V )     200 k A 1 0 / 350 us - 51k A - 2/ 631 u s 30k A - 2/ 70u s 0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1 1. 2 x 1 0 -3 -0 . 5 0 0. 5 1 1. 5 2 2. 5 3 x 1 0 4 Ti m e  i n  s e c S A   C o n s um pt i on ener gy  i n  ( j )     51k A - 2/ 6 31us 200k A - 10/ 350us 30k A - 2/ 7 0us Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Effective Fa ctors o n  the Ge nerate d  Tra n s ient  Voltage  in the Wind F a rm … (M. A.  Abd-Allah )   49 Figure 8 sh o w s the ove r v o ltage, GPR and co nsu m ption ene rg y of arreste r  through  pha se a lo cat ed at 6.6 kV side of bo ost  transfo rme r s at WTs#1, 2 and at the pri m ary sid e  of grid   comp ari s o n  with  varyin g the  lightni ng pea k  valu e.  It is o b served  that the  pe ak val ue  of the   overvoltage  and GP R at WT#1  rea c h to 231 kV and 25 0kV resp ectively, also the e n e r gy   con s um ption  of the SA surpasse d their t herm a l lim itation only at th e WT #1 un de r lightnin g  surge   #3. This i s  du e to high pea k value of lig htning surg e  #3. It is clear  that t he lightning su rge  stri ke s  the wind to we r is mo re sig n i ficant und er  high cre s t lightning surg e #3.    4.2. Effec t  of Lightning Parameter Fro n t Time      (a) Voltag e w a v e form s @ W T# 1   @W T # 1 @ W T # 2 @G r i d 0 20 40 60 80 100 120 5us f r o n t 3u s  f r ont 2u s  f r on t 1u s  f r on t N ode Vo lt a g e  ( k V)   (b)  Comp ari s on between p eak valu es of   voltage at ea ch no de     (c ) GPR  wav e form s @ W T # 1   @WT # 1 @ W T # 2 @G r i d 0 20 40 60 80 10 0 12 0 14 0 5us  f r ont   3us  f r ont   2us  f r ont   1u s  f r ont   N ode GPR ( kV )   (d) GP R at different locatio n s of the win d  farm     (e) SA co nsu m ption ene rg y waveform s  @W T#1  @WT # 1 @ WT # 2 @G r i d 0, 0 0, 2 0, 4 0, 6 0, 8 1, 0 5u s  f r ont   3u s  f r ont   2 u s  fr o n t  1us f r ont   No d e A b so rb at ion  en er gy (k J )   (f) co mpa r iso n  of SA energ y  consumptio n at  different location   Figure 9. Overvoltage s, GPR and a r reste r  absorption e nergy at di fferent locatio n s  of the wind  farm und er di fferent lightni ng front time       1. 0 5 1. 1 1. 1 5 1. 2 1. 2 5 1. 3 1. 35 1. 4 x 1 0 -5 0 2 4 6 8 10 12 14 x 1 0 4 Ti m e  i n   ( S e c ) V o l t age @ W T #1 i n  ( V )     5us 3us 2us 1us 1. 05 1. 1 1. 15 1. 2 1. 25 1. 3 1. 3 5 1. 4 x 1 0 -5 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 x 1 0 4 Ti m e  i n  S e c G P R  @ W T #1 i n  ( V )     5us 3us 2us 1us 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 x 1 0 -5 70 0 75 0 80 0 85 0 90 0 95 0 10 00 Ti m e  i n  s e c S A  c o n s u m p t i o n  ene r g y   @ W T # 1 i n  ( j )     2u s 3u s 5u s 1u s Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 13, No. 1, Janua ry 2015 :  42 – 5 6   50 The lightnin g  stro ke s with  different fro n t ti me (1µs: 5 µs) [1 7] are  studied to  show the  effect of them. Figure 9  shows the co mpari s o n   of voltage, GPR and arre st er abso r bin g  e nergy  with va rying l i ghtning  front  time. Th e  re sults indi cate  that the  ma ximum voltag e an d th e G P R  locate d at tu rbine s   and  g r id a r e  de cre a se d  with in cre a si ng f r on t time of ligh t ning. Also, t he  absorb ed e n e rgy by the  a rre sters  lo cat ed at the n o n - thund erstru ck turbine s  an d grid  de crea se  with increa sin g  front time of lightning.   This indi cate s that fo r th e  same  current  magni tu de, t he fa st ri sing  cu rrent di ssi pates to  grou nd mo re  quickly than  the slo w  ri si ng cu rren t. T he faste r  fro n ted cu rrent  pulse re sult s in   large r   potenti a l at fee d  p o i n t in the  first   moment s b e cause la rge r   currents are fo rce d  to  dispe r se   into the grou n d  throug h sm all parts of th e electrode.     4.3. Effec t  of Lightning Parameter Tai l  Time       (a) Voltag e w a v e form s @ W T# 1   @W T # 1 @ WT # 2 @G r i d 0 20 40 60 80 10 0 12 0 60 0u s  T a i l 30 0u s  Tai l 20 0u s  T a i l Volt age(kV) No d e   (b)  Comp ari s on between p eak valu es of   voltage at ea ch no de     (c ) GPR  wav e form s @ W T # 1   @W T # 1 @ W T # 2 @ G r i d 0 20 40 60 80 10 0 12 0 14 0 600us  T a i l 300u s  T a i l 200us  T a i l N ode GP R  ( k V)   (d) GP R at different locatio n s of the win d  farm     (e) SA co nsu m ption ene rg y waveform s  @W T#1  @WT # 1 @ W T # 2 @G r i d 0. 0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1. 0 6 00u s T a i l 3 00u s T a i l 20 0u s  T a i l Ab sor bat i o n  en er gy  ( kJ) Nod e   (f) co mpa r iso n  of SA energ y  consumptio n at  different location   Figure 10. Overvoltage s, G P R and a rre ster absorption  energy at di fferent lo cation s of the wind  farm und er di fferent lightni ng tail time    0. 5 1 1. 5 2 2. 5 3 3. 5 4 4. 5 x 1 0 -4 -2 0 2 4 6 8 10 x 1 0 4 Ti m e  i n  s e c V o l t ag e i n  ( V )     6 00us 3 00us 2 0us 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1 1. 2 1. 4 1. 6 1. 8 2 2. 2 x 1 0 -4 0 2 4 6 8 10 12 x 1 0 4 Ti m e  i n  S e c GP R  in  ( V )     100us 300us 200us 0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1 1. 2 x 1 0 -3 -20 0 0 20 0 40 0 60 0 80 0 10 00 12 00 Ti m e  i n  s e c S A  e ner gy  c o ns um pt i o n  i n   ( j )     2 00u s 6 00u s 3 00u s Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Effective Fa ctors o n  the Ge nerate d  Tra n s ient  Voltage  in the Wind F a rm … (M. A.  Abd-Allah )   51 The lig htning  stro ke s  with  different tail  time (2 00µ s:600µs) a r e  studie d  to  sh ow the   effect of the m . Figure 1 0   shows th e  co mpari s o n  of v o ltage, GP R  and  arre ster absorbi ng en ergy  with va rying l i ghtning  front  time. Th e  re sults indi cate  that the  ma ximum voltag e an d th e G P R  locate d at turbine s  an d g r id are incre a se d with in cre a si ng tail  time of lightning. Also, the   absorb ed  en ergy by  the  a rre sters lo cat ed at th e n o n -thun de rstru c k turbine s   a nd g r id  incre a se   with increa sin g  tail time of lightning.   This in dicates that for the same current  magni tud e , the slo w  de cay  curre n t dissip ates to   grou nd m o re  quickly than  the fast d e cay cu rre n t. The sl ower  de cayed  cu rren t pulse  re sult s i n   large r   potenti a l at fee d  p o i n t in the  first   moment s b e cause la rge r   currents are fo rce d  to  dispe r se   into the grou n d  throug h sm all parts of th e electrode.     4.4. Effec t  of Lightning Inception  Angl e      (a) Voltag e w a v e form s @ W T# 1   @W T # 1 @ W T # 2 @ G r i d 0 20 40 60 80 10 0 111k V 110k V 108k V NP ZC PP Vo lt ag e( kV ) N ode   (b)  Comp ari s on between p eak valu es of   voltage at ea ch no de     (c ) GPR  wav e form s @ W T # 1   @WT # 1 @ W T # 2 @G r i d 0 20 40 60 80 10 0 12 0 NP ZC PP GP R ( k V ) No d e   (d) GP R at different locatio n s of the win d  farm     (d) SA co nsu m ption ene rg y waveform s  @W T#1  @W T # 1 @ W T # 2 @G r i d 0, 0 0, 1 0, 2 0, 3 0, 4 0, 5 0, 6 0, 7 0, 8 0, 9 1, 0 1, 1 1, 2 1, 3 NP ZC PP No d e A b s o rba t i on e nerg y   (kJ)   (e)  comp ari s o n  of SA consumption en ergy at  different location   Figure 11. Overvoltage s, G P R and a rre ster absorption  energy at di fferent lo cation s of the wind  farm und er di fferent lightni ng inception  angle   0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1 1. 2 x 1 0 -3 -2 0 2 4 6 8 10 12 x 1 0 4 Ti m e  i n  s e c V o lt a g e  in  ( V )     NP ZC PP 0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1 1. 2 x 1 0 -3 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 x 1 0 4 Ti m e  i n  s e c GP R  i n  ( v )     NP ZC PP 4 4. 5 5 5. 5 6 6. 5 7 x 1 0 -5 82 0 84 0 86 0 88 0 90 0 92 0 94 0 96 0 98 0 10 00 10 20 Ti m e  i n  s e c S A  c o ns u m pt i on en er gy   ( j )     NP ZC PP Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.