TELKOM NIKA , Vol.14, No .4, Dece mbe r  2016, pp. 12 28~123 4   ISSN: 1693-6 930,  accredited  A  by DIKTI, De cree No: 58/DIK T I/Kep/2013   DOI :  10.12928/TELKOMNIKA.v14i4.3792    1228      Re cei v ed  Jun e  29, 2016; Revi sed Aug u st  30, 2016; Accepted Sept em ber 14, 20 16   Analysis of Transmission Lightning Arrester Locations  Using Tflash      M. I. Jambak 1 ,  Z .  N a wa wi 2 , R.F. Kurnia 3 , Z. Buntat* 4  M. A. B. Sidik* 5 , Y. Z.  Arief 6 ,   A. A. Wah a b 7 , Z. Ramli 8 M. E. Raml y 9    1, 2, 3,5 Department of Electrical  Engi neer in g,  F a cult y of Engi n eeri ng, Univ er s i tas Sri w ij a y a,  306 62 Indr ala y a,  Ogan Ilir, Sout h Sumatra, Ind ones ia   4,5, 6 Institute of  High V o ltag e a nd Hi gh Curr en (IVAT ) , F a culty of Electric al  Engi neer in g   Univers i ti T e knolo g i Mal a ysia,  8131 0 UT M Johor Ba hru, Jo hor, Mala ys ia   7,8, 9 T enaga N a sion al Berh ad,  Mala ysi a   *Corres p o ndi n g  authors, e-m a il: zolk afle@fk e .utm.m y 4 , abu bakar@ unsr i .a c.id 5       A b st r a ct  T r opical  co unt ries w i th  exte nsive  li ghtni ng  activity, suc h  as M a lays ia,  enc ount er n u mero us  problem s  on  their el ectrical trans m i ssion  and distribution system s.  Many   over head lines  trip because  of   back flashover  of lightning  and shie lding f a ilures  of the gr ounding syst em .  To ov ercome  the pr oblem   and  improve tra n s m iss i on  lin e p e r forma n ce, a  d e tail ed l i ght ni n g  study is re qu ired to  ana lyse  the corres pon din g   lines  a nd  deter mi ne th e b e st l o catio n  for tra n smissio n  l i n e   arrester (T LA)  install a tio n . W e  use d  T F l ash  to   ana lyse a TL A install a tio n   on a  132-kV  SSWW-BBST   overh ead tra n s miss ion  lin system l o cate d in   Sela ngor, Mal a ysia. Base d on the resu lts, the install a tio n  of the T L A at the opti m u m  qu antity an d at   appr opri a te to w e rs have red u ced t he  nu mb er of lines that  trip.    Ke y w ords overh ead  tran smiss i on  l i ne,  trans miss ion  li ght ni ng  arr e ster, li ne  pe rforma nce, lig htni n g   protectio n     Co p y rig h t   ©  2016 Un ive r sita s Ah mad  Dah l an . All rig h t s r ese rved .       1. Introduc tion  Tropi cal  coun tries l o cated  along  the e q u a tori al  belt h a v e high  atmo sph e ri c h u mi dity and   sola r heatin g .  These cond itions lead to  the devel op ment of cum u lonimb us  cl oud s, espe ci ally  durin g the we t season. Cu mulonim b u s  clou ds o r   thu nderclo u d s  are typical clo u d s that produ ce   lightning eve n ts. In additi on to its sp e c tacu lar and   fascin a ting meteorologi cal  phen omen on,  lightning  can  cau s e fatalitie s and d a mag e  to equipme n t and device s  [1, 2].    Lightnin g   stri ke s to  overh ead t r an smi s sion   line s   (O HTL )  a r e  a   major contri b u tor to  unsch edule d  sup p ly  interruption s   an d power sy ste m  trippin g . Strike s have  caused exten s ive   damag e to el ectri c al e quip m ent of the T enag a Na sio nal Berh ad  (TNB) p o wer  system [3], a nd it  is e s timated  that abo ut 50– 60% of  trippin g   of  the T N B’s po wer sy stem, espe cial ly of   transmissio and di strib u tion net works, has  been  ca u s ed  by lightni ng [4]. In ord e r to re du ce t h is  numbe r, T N B  ha s be en  co ndu cting n u m e rou s   studi es  to en su re th e reli ability a nd  su stainabi lity  of the ele c tri c al p o wer  su pply [5]. Several m e thod s have be en  prop osed to  kee p  failure rates  low a nd to  avoid dam ag e and di stu r ban ce to the  OHTL  syst em. The s method s in cl ude  improvin g tower fo oting resi stan ce, in stalling e a rth  wire s, an d tran smi ssi on l i ghtning a r re ste r   (TLA) ins t allation [6-8].   Based  on reports  of various electri c al  utilities,  TLA installation at  OHTL towers is the  most efficie n t method com pare d  to othe r method s for improving  O H TL p e rfo r m ance. Ho wev e r,  due to e c on omic  con s id e r ation s , insta llation of  a  TLA at every cond ucto of an OHTL  is  impra c tical. This pap er p r e s ent s an anal ysis of  OHT L  perform an ce  and a determination of TLA  optimum q u a n tity applied  at the 132 -kV Sungai  Se menyih Wate r Wo rks to wa rds B and ar B a ru   Salak  Tinggi (SSWT-BBST).       2. Descrip tio n  of the Ov erhead Line s of the 1 3 2 - k V  SSWT-BBST  The 132-k V  SSSW-BBST  OHTL s y s t em  is  loc a te d in Selangor,  Malays ia.  It cons is ts of   55 towe rs that are mo stly located in hil l y terra in an d  that have a doubl e circuit  of 132 kV ra ted   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Analysis of T r ansm i ssion Li ghtning Arre ster  Location s  Usi ng Tflash (M. I. Jam bak)  1229 voltage. Com m issi one d on  14 Augu st 2 007 for  Line 1  and on  1 5  August  2 007 for  Line 2,  th e   pha se condu ctors used fo r the OHT L  a r e 2 × 30 0 mmsq alu m iniu m cond ucto steel-rei nforced  (ACSR Bata n g ) with a rout e lengt h of ap proximately 1 4 .7 km.   a) Geo g raphi cal profile   All tower lo ca tions  were pl otted on G o o g le Earth to  deline a te the  OHT L  end to  end, a s   sho w n in Fig u re 1. The to wers were given name s  by usin g T followed by contin u ous n u mbe r s.          Figure 1. Tower location     Figure 2  sho w s the li ne  end-to -e nd t e rrain.  To we r T3 8A i s  lo cated  at the  high est   elevation (1 4 3  m), while to wers T2 1 and  T22 ar e in sta lled at the lowest elevation s  (14 m).           Figure 2. Tower elevation s       b) Trip ping  re cords  Acco rdi ng to  the trippin g  d a taba se  Cent ra lized T r ippi ng Inform atio n System (CTIS), a  total of nin e   trips o c curre d  from  20 07   until 20 11. T h is i n cl ude one  dou ble-circuit  trippi ng  in   2008  and two dou ble-circuit trips in  20 10. Table  p r esents th e d e tailed hi story of trips for  the   132-kV SSWW-BBST.       Table 1. Tripping hi story of the 132-kV SSWW-BBST  No. Date   Time  Circuit  Remarks  22/4/2011   16:37   L2  Line tripped - b o t t om phase   28/5/2010   16:47   L1  Line tripped - b o t t om phase   28/5/2010   16:47   L2  Line tripped - b o t t om phase   10/5/2010   17:45   L1  Line tripped - b o t t om phase   10/5/2010   17:45   L2  Line tripped - b o t t om phase   22/2/2010   19:31   L1  Line tripped - b o t t om phase   11/12/2008   17:09   L1  Line tripped - b o t t om phase   11/12/2008   17:09   L2  Line tripped - b o t t om phase   9 7/10/2007   17:23   L1  Line tripped due  to lightning  on distance prote c tion    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 14, No. 4, Dece mb er 201 6 :  1228 – 123 4   1230 3. Method   To dete r min e  wheth e a transmi ssion  line sy st em  re quire an im provem ent in  term s of   perfo rman ce,  a lig htning  p e rform a n c e  tripping  rate  h a s to  be   cal c ulated. Li ghtn ing p e rfo r ma nce   is a  mea s u r e  of the lig htn i ng-relate d  flash o ver  fo a tran smi s sio n  line. Ba ck  flashove r   (BF),   whi c h can o c cur  whe n  lightning  stri ke s the g r ou nd  wire s o r  to wers, an d sh ielding fla s ho ver,  whi c h o c curs when lig htni ng stri ke s th e pha se co n ducto rs  and  excee d s the  voltage of the the   insul a tion  strength, are th e types of fl ash o vers  tha t  occur  along  tran smissio n  lines. Fo r th is  study, the line perfo rman ce tripping  rate  was  cal c ulat ed as:       100 /   ,       ( 1 )      Whe r e li ghtni ng pe rforman c ( LP ) i s  th e trippi ng ( T ) numb e r divi ded by the  p e riod  of   s e r v ic e year s ( S ) and len g th of the lines  ( l ) in k i lometres .   If the  LP  is l e ss than  1.8 2  trips pe r 10 0 km  per  ye a r , a lightnin g   study is  not required.  Ho wever,  if it  is m o re  than   1.82  the n   study is ne ce ssary. From t h e  cal c ul ation, t he tri p ping  rate  for the 132 -kV SSWW-BB ST line wa s 1 6 .602 trip s pe r 100 km per  year.   The tower m odel was d e velope d usi ng  TFlas h software. All data  obtaine d and  gathered   from the TNB  databa se we re tran slate d   into par amet ers fo r the T F lash  software simul a tion. To  develop the  model an d ru n the simulati on, the re qui r ed data we re  tower type, tower im peda n c e,  tower footin g resi stan ce, in stalled in sulat o r,  circuit a ssi gnment an d lightning fla s den sity.    The si mulatio n  wa s first ru n before the  TLA  wa s in st alled. When  dubio u re sul t s we re   obtaine d, the  entered d a ta we re  ch ecked. Whe n   t he  relevant   data ha d b e en obtai ned,  the  locatio n  and  quantity of the TLA wa s d e termin ed.  The re sea r ch  methodol ogy flowchart is  shown  in Figure 3.         Figure 3. Re search meth od ology flowcha r     4. Results a nd Discu ssi on  In Figure  4, the firs s i mulation of the 132-   k V  SS WW-BBST  without an ins t alled TLA  is  sho w n.         Figure 4. TFlash  simulatio n  results (wit hout TLA)  START D a ta  co llectio at  se lect ed tr a n sm iss i on line Ca lcula t e line  pe rf orm a nce No ligh t nin g   st ud re qu i r ed M o d e ling  to wer   us i n g TF l a s h Simu la t i o n   pr oc essin g  u s in TF l a s h R e s u l t  ev a l ua t i on Re sult eva l ua tion Re- c h e ck dat en te r e d I r re l e v a nt  re s u l t Qu an tity an lo cat i o n  to  in sta ll  TL A  gi v e n P l ac em en t of  T L A END >1 .82  tr ipp i ng  per   100 km  pe yea r < 1 .8 2 t r ip ping  p e 10 0k m per   ye ar A fter  T L A   insta llatio n Be f o r e  TL in sta llatio n Lin e  p e r f or ma nc ( B a ck f l ash o ve r )   valu e in cr eas e Lin e  per fo rm an ce  ( B ack flas hov er valu e r e d u ce Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Analysis of T r ansm i ssion Li ghtning Arre ster  Location s  Usi ng Tflash (M. I. Jam bak)  1231 Based  on th e simul a tion  without the T L A, ther e we re 69  dire ct li ghtning  stri ke s to the  132-kV SS WW-BBST lines per year. B y  norm aliz ing the value per 100  km, 478 flashovers  per  100 km p e r y ear were foun d to occur.    The resulting  data for BF s sho w ed th at there  wa s 0. 647  strike pe r year, which  is equ al  to one  st rike  every  1.55  years.  TFla s h softwa r was  sp ecifi c all y  desi g ne d t o  ha ndle  the  BF  issue. The ov erall o c curren ce of BFs at each towe r is sho w n in Fig u re 5.          Figure 5. BF occurre n ce at the towers      From th e d a ta, towe rs 7,  35, 40, 4 1  a n d  45  expe rie n ce d mo re th an 0.0 2  BF p e r yea r .   This  rate  wo uld de crea se  to belo w  0.0 2  BF pe r ye ar, whi c wo uld imp r ove t r an smi ssi on l i ne  perfo rman ce,  by installing  a TLA.   To cal c ulate t he rate of ba ckflash, the P hase Fla s h o ve r Rep o rt (PF R ) was exa m ined, as  pre s ente d  in  Figure 6. ‘Ci r cuit 1–Ph a se  C’ and ‘ C i r cui t  2–Phase A’ have high er  rates of BF th an  other  circuits.  These data  were u s ed to  determi ne wh ich ph ase in the towe r wou l d be equi ppe with the TLA.         Figure 6. Phase flashover  report       Another  simul a tion (first sta ge)  wa s then  run  with an in stalled T L A, and the ba seli ne and   first-stage  re sults we re co mpared (Fi g u r e 7).          Figure 7. Co mpari s o n  of the first sta ge  and befo r e th e TLA installa tion  Wi t h o u t   A rre st e r 0 0. 0 2 0. 0 4 0. 0 6 0. 0 8 0. 1 0. 1 2 0. 1 4 1 6 11 16 21 26 3 1 36 41 46 51 To w e r   B a c k f l as h o v e r / y e ar Wi t h o u t Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 14, No. 4, Dece mb er 201 6 :  1228 – 123 4   1232 From  the fi rst - stage  simul a tion, the BF  per ye ar rate f o r tower  35  a nd tower 40  were  still  above the target rate. Therefore,  the PFR from the first-stage si mu lation (Figu r e  8) was  referred   to in order to  identify other pha se s that requi r ed a  TLA installati on. As sho w n in the repo rt,  ‘Circuit 1 Ph ase  B’ an d ‘ C ircuit 2 Pha s e B’  have  hi gher rat e of BFs. Th er efore, fou r  u n its o f   TLAs a r e re q u ired fo r Tower 35 an d To wer 4 0         Figure 8. First-stage Ph ase Flash o ver  Rep o rt       Subse que ntly, another  sim u lation was  carri ed  out  (seco nd st age ) in ord e r to  observe   transmissio n line  pe rforma nce. Re sult s of  BF  pe yea r   for  t h e se co nd stage sh o w ed   that  To wer  39 was still  above the  ta rget rate (Fi gure  9). T h e  PFR  (Figu r e 10 ) was then exa m ine d  to  determi ne an other lo cation  for the TLA.           Figure 9. Co mpari s o n  of first and   se co nd stag es of  TLA installati on           Figure 10. Secon d -stage P hase Flashov er Re po rt      From th e PF R of the  se co nd sta ge, the  other T L A uni ts nee ded to   be in stalled i n  ‘Ci r cuit   1–Pha se B’ a nd ‘Circuit 2– Phase B’ of T o we r 39.   0 0.0 2 0.0 4 0.0 6 0.0 8 0. 1 0.1 2 0.1 4 1 6 1 1 16 21 2 6 31 3 6 41 4 6 51 Tow e r   Ba c k f l a s o v e r / y e a r 1s t   st a g e   in s t a l led   TL A St a g e   2   wi t h   ad di t i on al   TL A Bac kfl ash ov er / yea r   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Analysis of T r ansm i ssion Li ghtning Arre ster  Location s  Usi ng Tflash (M. I. Jam bak)  1233 The third  sta ge of the BF per yea r  rate  (Figu r e 11 provide d  an  accepta b le re sult after  the installatio n  of two units of TLA in Tower  3 9 , and the overall ta rget (belo w  0. 02 BF/year)  wa achi eved.           Figure 11. Co mpari s o n  of seco nd an d third stag es of T L A installatio n       Table 2. Re q u ired n u mb er of installed T L As    Circuit 1  Circuit 2  A B C  C B A  1 2  5 6  0 3  3 5      To  summ ari z e the  entire  process, a   comp ar i s o n   of BF p e r year befo r e  a nd afte installatio n  of  TLAs i s  sho w n in Fig u re  12 . In to tal, 16 u n its of TLA s   were requi red  for the 1 32-kV  SSWW-BBST OHTL  (Table 2). Figu res  12 and 13 s h ow the final res u lts  from this  s i mulation  before a nd af ter the third st age of TLA in stallation.           Figure 12. Co mpari s o n  of BF per year b e fore an d after third - sta g e  TLA installati on       As p r e s ente d  in Fig u re 13,  the BF  rate  d e crea sed  to 0 . 367/year,  wh ich i s   equal  to on e BF  eve r 2.72 years. At the same time, the tota l flash o ver rate decrea s e d  to 0.372.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 14, No. 4, Dece mb er 201 6 :  1228 – 123 4   1234     Figure 13. Lin e  flashove r  re port after TLA  installation        5. Conclusio n   An analy s is  of OHTL perf ormance of t he  132-kV S S WT-BBST  was accompl i shed by   usin g TFla s h  software. F r om the  simu lation, t he lo cation  and  q uantity of TL As requi red  to   improve the t r an smi ssi on l i nes  we re ob tained. Ba se d on the results, the BF wa s su cce ssf ully  redu ce d by approxim ately 56.7%.       Ackn o w l e dg ements   The authors thank Univ ers i ti Teknologi Ma lay s ia for the financ ial  s u pport provided  throug hout  th e pe riod  of th is  re sea r ch a nd M r . Zul h il mi Ramli a n d  Mr. M ohd  Erwan  Ramly from   Tenag a Na si onal Berhad f o r the data p r ovided.       Referen ces   [1]  Z  Na w a w i , M A  Bakar  Sid i k ,  M Boo n  Ke an, H A h ma d, Z  Buntat, N   Azlin da A h ma d et a l .  Data   transmissio n  s y stem  of rot a ti ng  electric  fie l d mi ll net w o rk   usi n g   microc ontrol l er an d GSM  modu le.  Ju rn al  Te kn o l og i  (Sci en ce s an d  En gi ne e r in g),  2013; 64: 10 9-11 2.  [2]  MAB Sidik, H  Ahmad. On the stud y of m oder nize d li ght nin g  air termi nal.  Intern atio nal R e view  of  Electrical E ngi neer ing.  2 008; 3:  1-8.  [3] N Z a w a n i , Jun a in ah, Imran, M F a izuhar.  M ode lli ng of 1 3 2 kV overh e a d  transmissio n  l i nes by  usin AT P/EMT P   for  shiel d i ng fail ur e pattern rec o g n itio n.  In Proce d ia En gin eer in g. 2013: 2 78-2 87.   [4]  MK Hassa n,  A Che  Soh, A  Kadir, MZ  A b idi n , A R ahm an, R Z a fir a . Lig h tnin g strik e  map p i ng for   pen insu lar  Ma la ysia  us ing   artificial  i n tell i genc e tec hni q ues.  Jo urn a of T heor etical  an d A ppl ied   Information T e chno logy.  2 011 ; 34: 202-2 14.   [5]  H Ahmad, MI Jambak, KY L a u , MKN Mohd  Sarmin,  SS Ah med, MAB Sidi k. S w itch ing  ph enom eno n i n   six- ph ase trans mission s y ste m Internation a l  Review  of Ele c trical Eng i ne e r ing.  20 11; 6: 1 895- 190 4.   [6]  L Eko nom ou,  DP Iracl eous,  IF  Gonos, IA  Stathopu los. A n  o p timal  d e si gn m e tho d  for  improv in g th e   light nin g  perfor m ance   of over hea d hig h   v o lt age   transmiss i on lin es.  Electric Power Syst em Res earch.  200 6; 76: 493- 499.   [7]  N Malcolm, RK  Aggar w a l.  An ana lysis of red u cin g  back flas hover fau l ts w i th surge arr e ste r s on 69/13 8   kV do ubl e circ uit trans miss io n li nes  du e to  direct  lig htni n g  strikes  on  th e shi e l d  w i res.  In 12th IET  Internatio na l C onfere n ce o n  Devel opm ents in Po w e r S y ste m  Protection, DPSP 201 4. 2 014: 1-6.   [8]  R Zoro, R Mefi ardh i, RR Arito nan g, H Suh a n a . Obse rvatio n  on impr ove d  2 0  kV' s  overh e a d  distrib u tio n   lines  aga inst l i ghtn i ng. In Procee din g s of  t he IEEE Internati ona l Co nf erenc e on  Properti es an Appl icatio ns of Diel e ctric Mate rials. 20 07: 97 9-98 3.         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.