Internati o nal  Journal of Ele c trical   and Computer  Engineering  (IJE CE)  V o l.  6, N o . 2 ,  A p r il  201 6, p p 79 2 ~ 79 I S SN : 208 8-8 7 0 8 D O I :  10.115 91 /ij ece.v6 i 2.9 527          7 92     Jo urn a l  h o me pa ge : h ttp ://iaesjo u r na l.com/ o n lin e/ind e x.ph p / IJECE  Integration of Frequency Depende nt Soil E l ect ri cal  Prop erti es  in Grounding Electrode Circuit Model       Mehrd a d   Mokhtari,  Z u lku r nain Ab dul-Malek , Chin Leon W o oi  Institute of High  Voltag e   and Hi gh Current  (IVAT), Facul t y   of  El ectr i cal  Engineer ing, Univ ersiti  T e knologi  Malay s ia,  Johor, Mala y s ia      Article Info    A B STRAC T Article histo r y:  Received Oct 9, 2015  Rev i sed  D ec 11 , 20 15  Accepte d Ja 3, 2016      The eff ect of fr equency  d e pend ent soil proper t ies on the impedance  and   transien t respo n se of the gr ounding electro de was investigated . Th frequency  dep e n d ent soil models as propos ed by   Scott, Smith-Lo ngmire, and  Visacro-Alipio  were critically  r e viewed . A novel method was proposed to  integr ate  the  fr equenc depend ent soil  el ec tric al prop erti es in  the  cir c ui t   model of grounding electrod e To valid at e the  application of th e method in   circu it model, th e voltage r e sponses of  the groun ding electrod e  o b tain ed  b y   the circuitand  electromagnetic  models were  compared . The vo ltag e responses  obtain e b y  th cir c uit and electrom agnetic models we re in exc e ll ent   agreem ent  in te rm s  of voltage peaks  and wa ve s h apes . Th e  differen ces   between vo ltag e  peaks obtained  b y  th circuit and electr omagnetic models   were found  less than 1%.   Keyword:  Circu it m o d e El ect rom a gnet i c  m odel   Fre que ncy  dep e nde nt   G r o und ing  electr od Soil electrical properties   Copyright ©  201 6 Institut e  o f   Ad vanced  Engin eer ing and S c i e nce.  All rights re se rve d Co rresp ond i ng  Autho r Zul k ur nai n  A b dul -M al ek,    In stitu te o f   Hi gh  Vo ltag e   and  High   C u rren t (IVAT),  Un i v ersiti Tekn o l o g i  Malaysia,  Jo hor  Bah r u 813 10 , Joho r, Malaysia   Em a il: zu lk u r nain @u tm . m y       1.   INTRODUCTION  Transient currents cause by faults  an d l i g ht ni n g  st ri kes  have si g n i f i cant  effect o n  p o we r sy st em   per f o r m a nce [1, 2] . T h hi gh am pl i t ude cur r ent s  are  d i sperse d i n t o   t h e eart h  t h r o ug h t h e g r ou ndi n g   el ect rodes em bedde d i n si de t h e soi l  [3] .  Th e perf orm a nce  of gr o u n d i ng  el ect rodes i s  d e pen d e n t  on t h e soi l   electrical properties, electrode  di m e n s io n s , an d  cu rren t p a ram e ters [4-7 ]. Th so il co ndu ctivity an d   p e rm itt iv ity are in fl u e n c ed   by sev e ral  p a rameters su ch   as  soil c o m p action, tem p erature, m o isture, a n grai size [8]. In a d dition, they a r e also  i n fl uenc ed  by  t h e  f r eq uency   o f  t h e  c u rrent. T h higher the  fre que n cy, the   lo wer th e so il co ndu ctiv ity a n d   p e rm itt iv ity  [9 , 10 ]. As a resu lt, th e transien t i m p e d a n c e o f  th e electro d e  i s   also affected [11-14].  Despit e all th e above, the effect of fre que ncy on  so il electrical p r op erties is usu a lly   di sre g ar de d i n  hi g h   fre qu en cy  gr ou n d i n sy st em  an aly s es. F o r i n stan ce, in C D EG S so ftwa re (C ur re n t   D i str i bu tio n, Electr o m a g n e tic Field s , Gr ound ing  and  So il Str u ct u r A n al ysis p r ogr am  p r ov id ed  b y  th e Saf e   Engineeri n g Services a n d T echnolo gies Lt d., Qué b ec, C a nada ), t h e measure d  s o il c o nductivity and s o il  p e rm itt iv ity are u s ed  in th co m p u t atio n ,  even  thou gh  t h co ndu ctiv ity an d p e rm it tiv ity  are  u s u a lly  measu r ed  b y  u s ing  eith er DC o r  low freq u e n c y sources. In  add itio n, in  circu it ap pro ach, th e ap p licatio n  of th fre que ncy de pende nt soil prope rties in i m pulse cond ition is neglected. This is because applying  each  i ndi vi dual  f r eq uency  o f   l i g ht n i ng  c u rre nt   i s  d i ffi cul t .    In t h i s   pa per, t h e f r eq ue ncy  d e pen d e n t  soi l  m odel s  as pro pos ed  by  Scot t  [9] ,  Sm i t h -Lo ngm i r e [1 5] ,   an d   Visacro-Alip io  [1 6 ]  are critically rev i ewed In  add iti on,  t h e si m u l t a neous ef fect  o f  f r e que ncy  o n   b o t h  s o i l   con d u ct i v i t y  and  perm i t t i v i t y , and  hence  on  t h e gr o u n d i n g el ect rode i m pedance i s  di sc us sed. A  no vel  m e t h o d   i s  pro p o se d t o  i n cor p orat e t h e freq u e n cy  de pen d e n t  soi l  el ect ri cal  pro p er t i e s i n  ci rcui t   m odel  of gr o u ndi ng   el ect rode . The  di ffe rence  be t w een t h vol t a ge res p onse s  obt ai ne d by  t h e p r o p o se d m e t hod i n  t h e  ci rcui t   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I S SN 2 088 -87 08  IJEC E V o l .  6, No . 2, A p ri l  20 16   :    79 2 – 7 9 9   79 3 m odel  and o b t ai ned by  t h e  el ect rom a gnet i c  wi t h  t h m e t hod  of m o m e nt  (EM - M o M )   un de r fi r s t  and   subseque nt ret u rn st roke c u rrents  was  found less tha n   1%.    The re sul t  s h o w s t h at  t h e i n fl ue nce o f  f r e que ncy  o n  t h e  gr o u n d i n g i m peda nce a n d i t s  t r ansi ent   per f o r m a nce m u st   be t a ke n i n t o  acc ou nt   whe n  ca rry i n out   a g r o u ndi ng  sy st em  t r ansi ent   anal y s i s     2.   FREQUENC Y   DEPENDENT   SOIL   MODELS  Seve ral  m odel s  ha ve bee n   p r o p o sed t o  d e t e rm i n e t h e soi l  el ect ri cal  prope rt i e s as a  fu nct i o n o f   fre que ncy   [9 15 16] .  I n  t h i s  sect i o n ,  t h e m odel s  p r o p o se d  by   Scot t   [9] ,   Sm i t h -Lo ngm i r e [ 1 5] , a n d   Vi sacro - Al i p i o   [1 6]  are  descri be d. I n  t h i s  st u d y ,  t h f r eq ue ncy  de pe nde nt  s o i l  el ect ri cal  param e t e rs o b t a i n ed  by  t h ese  m odels had be en c o m p ared  with the e x perimental val u es.    2. 1.   Scott Model   The f r eq ue ncy  depe n d ent  co nd uct i v i t y σ ( f ), an d f r eq ue n c y  depe nde nt  rel a t i v e perm i t t i v i t y ε  ( f ),  were  det e rm i n ed  usi n g t h e f o rm ul as pr op ose d   by  Sc ot t  [ 9 ]  as    2 0 2 0 0 018 . 0 046 . 0 036 . 0 068 . 0 1.098 0.028   =   ) ( f f f f   (1 )     2 0 2 0 0 067 . 0 114 . 0 069 . 0 097 . 1 946 . 0 491 . 5 ) ( f f f f r   (2 )     whe r σ 0  is th e n o m in al lo frequ e n c y so il co ndu ctiv ity , and   f  i s  t h e a ppl i e d f r e que ncy  i n  t h ra nge  o f   10 0 H to  1 M Hz.    2. 2.   Smith-L o n g m i re Model  Th e Sm ith  an d  Lo ng m i re ex p r ession s were u s ed  to  co m p ute th e so il rela tiv e p e rm it tiv it y an d  so i l   co ndu ctiv ity valu es. Th frequ en cy -d ep en d e n t  so il relativ p e rm itt iv ity an d  co ndu ctiv ity are    18 1 2 1 ) ( i i i r F f a f   (3 )     18 1 2 2 0 1 2 ) ( i i i i i DC F f F f F a f    (4 )     whe r σ DC  is dc so il con d u c ti v ity,  ε   i s  hi g h   fre que ncy  l i m it  of t h e  di el ect ri c co nst a nt w h i c h w as set  t o   5. T h e   value of  c o efficient  a i was ref e rre d fr om   Tabl 1.   The param e ters  F i  i s   obt ai ned  usi n g      1 10 . i DC i F F   (5 )     W h er    8312 . 0 125 DC DC F   (6 )       Table 1.  C o effi cient  a i a i  i  a i   1 3. 40×10 6 8 1. 25×10 1   2 2. 74×10 5  9  4. 80×10 0   3 2. 58×10 4  10   2. 17×10 0   4 3. 38×10 3  11   9. 80×10 -1   5 5. 26×10 2  12   3. 92×10 -1   6 1. 33×10 2  13   1. 73×10 -1   7 2. 72×10 1      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J ECE   I S SN 208 8-8 7 0 8       Int e grat i o of   Freq uency  De pen d e n t  S o i l  El ect rica l Prop erties in  G r ou nd i n g Electrod e     ( Z ul kur nai n A.M.)   79 4 2. 3.   Visa cro - Alipio  Model  The V i sacro-Alipio  expres sions  we re  obtained according to lar g e num b er of field m easurem ents.  Th frequ en cy  d e p e nd en relativ e p e rm it tiv it y an d cond u c ti v ity o f  so il  were ob tain ed using    3 . 1 10 6 . 7 ) ( 4 . 0 3 f f r   (7 )       65 . 0 73 . 0 0 6 0 100 . 1 10 2 . 1 1 f f   (8 )     whe r σ 0  is  n o min a l lo w frequ e n c y so il cond u c tiv ity , an d   f  is ap p lied freq u e n c y in th rang o f   100 Hz to  4M Hz.     2. 4.   Co mpa r iso n  of the So il Mo dels  Th f r e q u en cy  d e p e nd en t so i l  p r o p e r ties obtain e d   b y  Sco tt, Sm i t h - Longmir e, and  V i sacr o- A lip i o   form ulas were then com p are d  with the experim e ntal  value to evaluate  the accu racy  of the soil models Co m p ariso n s  of th frequ en cy d e p e nd en t so il  p r op ertie s fo r low fre q u ency  soil  resi stiv ity v a lu es of  9 3 .2  .m and 34 3 .m  are sh own  in  Fi gu res  1  an d   2 .   As seen  in  bo t h  figu res, all s o il  m o d e ls were ab le to  p r ed i c t th e   fre que ncy   dep e nde nt  s o i l  res i st i v i t y  val u es i n   di ffe rent   f r eq ue nci e s co m p ared t o  t h e  ex peri m e nt al  val u es .   Howev e r, in term  o f   p r ed ictin g th e relativ e p e rm i ttiv it y valu es, t h Visacro-Alip i o ’s soil  m o d e l was fo und   u n a b l e to pro p erly p r ed ict th e frequ en cy  d e pen d e n t   relativ e p e rm i ttiv it y v a lu es.      (a)  ρ ( f) ( b ) ε r (f   Fi gu re  1.  Fre q uency   de pen d e n t  s o i l  el ect ri cal  pr o p ert i e s f o r   ρ 0 =9 3. .m  ob tain ed b y   d i fferen t  so il m o dels      (a)  ρ ( f) ( b ) ε r (f   Fi gu re  2.  Fre q uency   de pen d e n t  s o i l  el ect ri cal  pr o p ert i e s f o r   ρ 0 =343  .m  obt ai ned  by   di f f e rent  s o i l  m o d e l s         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I S SN 2 088 -87 08  IJEC E V o l .  6, No . 2, A p ri l  20 16   :    79 2 – 7 9 9   79 5 3.   HARMONIC GROUNDING  ELECTROD E IMPEDANCE  CHARACTERISTIC  Thi s  sect i o d i scusses t h e ef fect  o f  f r e que n c y  on  ha rm oni c gr o u n d i n g el ect ro de i m pedance  un de r   fi rst  an d s u bse que nt  ret u r n  st ro ke c u r r ent s A h o r i z o n t a l  cop p e r  el ect ro d e  wi t h   10 -m  l e ngt h an 5-m m  radi us  was ass u m e d l o cat ed at   1-m  dept h i n   a u n i f orm  soi l .  Th ree d i fferen t types of so il  with lo resistiv ity v a lu ( ρ =100   .m ),  and  hi gh  resi st i v i t y  val u ( ρ = 1 00 .m ) were  co nside r ed .   The fi rst  ret u rn  st ro ke cu rre nt   had a  pea k  val u e o f  3 0   kA , m a xi m u m  st eepness of  1 2  k A / μ s, and zero  t o  pea k  t i m e  of  8 µs. T h e s u b s eq uent  ret u r n   st ro ke cu rre nt   had a  pea k  val u e o f  1 2   kA , a  m a xim u m  st eepne ss  of 4 0  kA/ μ s,  a n d  zer o t o   pea k  t i m e of 0 . 8  µ s . T h e t w wa vef o rm s were  r e prese n t e d  u s i n g  Hei d l e r’ s f u nct i o n   [1 7] , t h e  pa ram e t e rs o f   w h i c are  gi ve n i n  [ 1 8] .   The im pedanc e characteristic  of th e electrodes according to the diffe re nt soil  m odels under first and  sub s eq ue nt  ret u r n  st ro ke cu rr ent s  are sh ow n  i n  Fi gure s  3 a nd  4. The  harm oni c i m pedanc e was obt ai ned  as t h rat i o  o f   gr o u n d i n g el ect r ode  vol t a ge , a n d  c u r r ent  as   Z ( ω )= V ( ω )/ I ( ω ).  A s  seen i n   bot fi g u res ,  t h ha rm oni c   im pedance c h a r acteristics obtained  by Sc ott and  Sm ith -Longm ire  m odels were i n  accordance. T h harm onic  im pedances  ob t a i n ed by  Vi sa cro - Al i p i o ’s m odel  ha d l a r g e di ffe re nce com p are d  t o  t h e ha rm oni c im pedanc e s   obt ai ne by  Sc ot t  an d Sm i t h -Lo ngm i r e m odel s     (a) Im pedance   (b ) An gle     Fi gu re  3.  Im pedance  cha r act e r i s t i c s of  t h g r ou n d i n g el ect r ode   ρ 0 =100  .m         (a) Im pedance   (b ) An gle     Fi gu re  4.  Im pedance  cha r act e r i s t i c s of  t h g r ou n d i n g el ect r ode   ρ 0 =1 00 .m       4.   TIME DOMAIN  VOLTAGE RESP ONSE OF THE E LECTRODE   Thi s  sect i o n di scusses t h e det e rm i n at i on of t h e v o l t a ge  res p ons e of the ele c tr od e with   resp ect to  th fre que ncy  de p e nde nt  soi l  p r ope rt i e s t h r o u gh c o m put at i on.  A n o v el  m e t h o d  was a p pl i e d t o  i n t e gr at e t h fre que ncy  de p e nde nt  soi l  p r o p ert i e s i n  ci rcu i t  appr oach . T h i s  m e t hod i m pr o v ed t h vol t a ge resp o n se  of t h e   el ect rode  wi t h   respect  t o  t h e f r eq ue ncy  de pe nde nt  s o i l  p r o p e rt i e s.      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J ECE   I S SN 208 8-8 7 0 8       Int e grat i o of   Freq uency  De pen d e n t  S o i l  El ect rica l Prop erties in  G r ou nd i n g Electrod e     ( Z ul kur nai n A.M.)   79 6 4. 1.   Electrom a gne t ic Model with   the  Meth od  of   M o men t   The electrom a gnetic m odel  with the m e thod  of m o m e nt is known as the m o st accurate  m odel to  anal y ze t h e g r o u ndi ng el ect ro de. T h e m e t h o dol ogy   use d  i n  t h e el ect rom a gnet i c  m odel  i n   di ssc u ssed.   Ho we ver ,   m o r e  det a i l s  can be fou n d  i n  [1 9] . In el ect rom a gnet i c  app r oac h  wi t h  t h m e t hod  of m o m e nt   (EM - MoM), the injected cu rrent is specified as  an im pulse signal.  Fa st Fourier trans f orm  (FFT)  was us ed t o   decom pose t h e t i m e  dom ain cu rre nt   i ( t )  i n t o  i t s  cor r e sp on di n g  f r e que ncy  s p ect r u m   i ( ω ). The  discrete   fre que ncy  s p ec t r um  of t h e  i n put  c u rre nt  wa s i n  a  ra nge  f r o m  t h e l o west   fre que ncy  t o  t h hi g h est  f r e q uency   (Nyqu ist frequen c y). First, the electro d e   was d i scretized  i n to   N  equal conductor segm ents. The current in   each se gm ent was t h en dete rmined  by appl ying M o M to  enforce  the  continuity  of  the  tange ntial compone n t   of the electric field along  t h e  segm ents. Once the curre nt in each c o nduct o rse g m e nt was  known, the el ectric   field ( E ) ca use d  by  t h e cu rre nt s at  al l  com put at i on  p o i n t s  i n  t h e s o i l  co ul d be  o b t a i n e d C onse q uent l y ot he electro m a g n e tic field  v a lu es  an d   d e ri v e d   qu an tities, su ch as electro d e   v o ltag e , cou l d also  b e  ob tain ed. To  obt ai n  t h v o l t a ge i n  t i m e dom ai n, fast  i nve rse F o uri e r  t r a n sf orm  (IF FT was a p pl i e d.      4. 2.   Circuit Model   gr o u n d i n g e l ect rode  can   b e  p r esent e d as   an e qui val e nt  l u m p ed ci rc ui t   m odel  [2 0,  2 1 ] .  T h e m odel   cont ai n s   R L , and  C  elem en ts. Sin ce th e so i l  io n i zatio n   facto r  was no t taken  in to  accou nt in  th is stu d y   d u e  t o   th e app licatio n o f  low am p lit u d e  curren t , R u d e nb erg  circu it  m o d e l, as illu strated in  Fi gu re  5   [20 ] was u s ed  to  m odel  t h e gro u n d i n g el ect ro de. T h R - L - C  ele m ents w e re set as the groundi ng re sistance  R  in    (or   alternatively, the c o nductanc e   G  in S), the  e l ectrode i n duct a nce  L  i n  µ H and the s o il ca pacitance  C  in  F. No te  t h at  un der  fas t -fr o n t e d cu rre nt s, t h e p r op o s ed m e t hod i n  [2 1]  was t a k e n i n t o  acc ou nt  t o  det e rm i n e t h electrode i n ductance. For a  horizontal  grounding electrode in a  uni form so il, th e circu it ele m en ts co u l d  b e   o b t ain e d  u s i n g th  form u l as  in itially  p r op osed  b y   Su nd e [22 ]   ] 1 ) 2 2 [ln( 1 ad l l G R   (9 )     ] 1 ) 2 [ln( 2 a l l L   (1 0)     R C   (1 1)     whe r ρ  is  so il  resistiv ity in  [ .m ] ,   l  is len g th  of th e electro d e  in   [m ],  a  i s  ra di us  of  t h el ect rode  i n   [ m ] ,   d is   bu ri al  de pt h i n   [m ] ,   µ  is so il perm eab ili ty (4 π ×1 0- 7H /m ) ,  an d   ε  is  p e rm itt i v ity o f  so il in   [F/ m ]. Ob v i o u sly, th im port a nt  m a teri al  pr ope rt i e s seen i n   (9 )  t o  (1 1 )  are  ρ µ , and  ε   for the  resista n ce, inductanc e , and  cap acitan ce, resp ectiv ely.  Howev e r, on ly the resistiv ity  an perm i t t i v i t y  are f r e que ncy   depe n d ent ,  a n d  he nc e   o n l y th ese two   p a ram e ters were con s id ered in th is  work.             Fi gu re  5.   R e p r esent a t i o n  o f  a   t y pi cal  gr ou n d i n g  el ect ro de  b y  an e qui val e nt  l u m p ed ci rc ui t  m odel       It is k nown  t h at th e circu it app r o a ch  is a si mp le  approac h  c o m p ared to t h e  electrom a gnetic approac h   t o  anal y ze t h e t r ansi ent  be ha vi o r  of t h e gr ou n d i n g el ect rode . H o we ve r,  t h e di ffi c u l t y   of i n c o r p orat i n g t h e   freq u e n c d e pen d e n t  so il  p r o p e rties limits  th e app licatio n   o f  th e app r oach  i n  tran sien t an alysis, si n ce t h l i ght ni n g  cu rre nt   has  fre q u en cy  com pone nt s .  T o  i nvest i g at e t h e e ffect  o f   l i ght ni n g  cu rre nt ’s  fr o n t  t i m e,  T f , on  th e resistiv ity an d   p e rm i ttiv it y, th e equ i v a len t  frequ en cy,  f eq , of t h e l i ght n i ng c u r r ent   [2 3 ,  2 4 ] w as  det e r m i n ed  usi n g     f eq T f 4 1   (1 2)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I S SN 2 088 -87 08  IJEC E V o l .  6, No . 2, A p ri l  20 16   :    79 2 – 7 9 9   79 7 f eq  was th en   u s ed  in  freq u e n c y d e p e n d e n t  soil p r op erties soil  m o d e ls. Fin a lly, th e circu it ele m en t v a lu es o f  th el ect rode  m odel  as sh o w n  i n   F i gu re  wi t h  t h frequ en cy  d e p e nd en t so il p r o p e rties were  ob tain ed.      5.   VALI D ATIO N O F  THE  M ETHOD   Fo r valid atio n, th v o ltage resp on ses ob tain ed   b y  th e ci rcu i t  m o d e l an d EM-Mo M were  co m p ared . In   t h i s  com p ari s o n , t h e t y pi cal   el ect rode a n d l i ght ni ng c u rre nt s de fi ne d i n   Sect i on  2 w e r e  t a ken i n t o  ac cou n t .   The e q ui val e n t  fre que nci e fo r t h e  fi r s t  a n d  su bse q uent  ret u rn  st r oke  cu rre nt wer e f eq =31. 2 5  kH a n d   f eq =3 1 2 .5  k H z, resp ectiv ely.  Sco tt so il m o d e l was tak e n i n t o  acco u n t  t o  det e rm i n e t h e  fr eq ue ncy  de p e nde nt   so il p r o p e rties. Th e vo ltag e  respo n s es  ob tain ed   b y  th e circu it an d  EM-Mo M were i n  ex cellen t  ag reemen t in  t e rm s of b o t h   peak  val u es a n d  wa ve fo rm s as s h o w n i n   Fi gu res  6 a n 7.  The  di ffe re nces  bet w ee vol t a g e   peak s o b t a i n e d  by  t h e ci rc ui t  m odel  and EM -M oM  f o r t h fi rst  an d s ubse que nt  ret u r n  st ro ke c u r r ent s   whe n   ρ 0 =100  .m  were 0 . 5 %  and   0 . 5 % , resp ecti v ely. In  ad d itio n, th e d i fferen ces b e t w een   v o ltag e   p e ak s o b t ain e by  t h e ci rcui t   m odel  and E M -M oM  f o r t h e fi rst  a nd s u bse que nt  ret u r n  st r oke c u r r e n t s  w h en  ρ 0 = 1 00 .m   were  0. 9% an d 1% , res p ect i v el y .  These  di ffe rences  pr o v e  t h at  i n t e grat i ng t h fre q u e n cy  de pen d e n t  soi l   p r op erties in th e ap p lication of eq u i v a len t  frequ en cy  in   circu it m o d e is an  app r op ri ate  m e th o d  in circu it  approach.      (a) Res p on se t o   first ret u r n  st ro ke   (b ) Res p o n se  to s u b s eq ue nt r e tur n  str o ke     Fi gu re 6.   V o l t a ge resp o n ses o b t a i n ed   by   t h e ci rcui t   an d EM -M oM  fo ρ 0 =1 00   .m       (a) Res p on se t o   first ret u r n  st ro ke   (b ) Res p o n se  to s u b s eq ue nt r e tur n  str o ke     Fi gu re 7.   V o l t a ge resp o n ses o b t a i n ed   by   t h e ci rcui t   an d EM -M oM  fo ρ 0 =1 000   .m       6.   CO NCL USI O N   The fre que ncy  depe ndent s o il  m odels have  been  revie w e d . T h e accurac y  of the m ode ls has bee n   i nvest i g at e d   b y  com p ari ng t h e re sul t s   obt ai ned  by  t h m odel s  and e xpe ri m e nt al  val u es. T h e c o m p ari s on   am ong t h e m odels and e xpe rim e ntal values show t h at  Scott and Sm ith-Longm ire  m odels are m o re accurat e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J ECE   I S SN 208 8-8 7 0 8       Int e grat i o of   Freq uency  De pen d e n t  S o i l  El ect rica l Prop erties in  G r ou nd i n g Electrod e     ( Z ul kur nai n A.M.)   79 8 com p ared t o  the Visacro-Alipio’s  m odel .   Th e effect   o f  t h fre que ncy   dep e nde nt  s o i l  el ect ri cal  pr ope rt i e s   o n   gr o u n d i n g el ec t r o d e i m pedan ce has  bee n  i n vest i g at ed  by   usi n g t h fre q u ency   de pe nde nt  s o i l  m odel s . It  i s   fo u nd t h at  t h e i m pedance of t h e t y pi cal  gro u ndi ng el ect r o d e  bu ri ed i n  s o i l  chan ges as a f unct i o n o f  f r eq uency .   The characteri s tic of the groundi ng elect rode is fo und  d e pen d e n t  on  th e so il resistiv ity. Th e characteri s tics o f   th e g r ou nd ing   electro d e  in  low resistiv ity an d   h i gh  resistiv ity so ils are d o m in an tly cap acitiv e an d  indu ctiv e,  resp ectiv ely.  In  ad d ition ,  a  n o v e l m e th o d  is p r op o s ed  t o  im p r o v e  th e v o ltag e  respon se  o f  t h e electrod obt ai ne by  t h e ci rcui t   m ode l  of t h e g r ou n d i n g el ect ro de.  The ap pl i cat i on  of t h e m e tho d  i n  ci rc ui t  m odel   sho w s t h at  t h e vol t a ge  res p ons es o b t a i n e d  by  t h pr o p o se d m e t hod and el ect r o m a gnet i c  m odel  are i n   excel l e nt  agre em ent  i n  t e r m s of pea k  val u e and wa ve  s h ape .  The di fferences  b e tween  th e vo ltag e  p eak obt ai ne d by  t h e pr op ose d  m e t h o d  an d el ect rom a gnet i c   m odel  are fo u nd l e ss t h an 1 % . T h i s  fi n d i n g sh o w s t h at   an overall improvem ent of  gr o u n d i n g el ect ro de per f o r m ance can be  achi e ved  by  appl y i n g  t h e p r o p o se d   m e thod i n to the circuit m odels of the  grounding electro des whe n   ca rrying out  t r ansi e n t grounding  a n alyses.       ACKNOWLE DGE M ENTS  Thi s  w o r k  wa s sup p o rt e d  i n  part  by  t h e M a l a y s i a n M i ni st ry  of  Hi g h e r Ed ucat i o n and  Uni v ersi t i   Tekn o l o g i  Mal a ysia, G r an Nu m b er s 4F291an d  10H 61     REFERE NC ES   [1]   Zahri M, Menchafou Y, El Markhi H,  Habibi  M. Simplified method for si ngle lin e to groun d-fault lo cation  in  ele c tri cal  pow er  di stribution s y s t ems.  Internatio nal Journal of  Elect rica l and  Computer Engin eering . 2015; 5 ( 2):  221-30.  [2]   Chunhua L, Weiran W, Jie S, Tao L.  Lightning Performance and  its Prevention  fo r Quadruple-cir c uit Transmission   Line with 220  k V /110 kV Voltage in  a Tower .   T E LKOMNIKA . 2 013; 11(10): 583 3-41.  [3]   Zhu X, Zhang J, Ping Z, Liu J .   Gr ounding Resistance Measurem ent of Tr an smission Towers in  Mountainous Area.  TE LKOMNIKA 2013; 11(8): 443 9-46.  [4]   Mokhtari M, Ab dul-Malek  Z, Salam Z.  The effect of soil ionization on tr an sient  grounding electr ode resistan ce in   non-homogeneous soil conditio n s.  Internationa l Transactions on  Ele ctr i ca l E n er gy Sys t em s Published onlin e in   Wiley  Onlin Librar y  (wiley onlinelib r a r y .com).  DOI: 10.1002/etep.2157, 2015.  [5]   Mokhtari M, Abdul-Malek Z. The Effect of Grounding Ele ctrode Parameter s  on  Soil  Ionization and Trans i en Grounding Resis t ance using  Elec tromagnetic Field Approach App lied  Mechan ics  and Materia l s . 2 014; 554: 628-3 2 [6]   Mokhtari M, Abdul-Malek  Z. I n fluence of Soil Ionizatio n  on Earthing S y stem  Perform ance In : Z. Abdul Malek,  editor .  Progress Earth i ng Studies for Modern Life Sty l e. 1 st   ed. Johor Bahr u, Malay s i a : U n iversiti  Tekno l ogi  Malay s ia; 2015 [7]   Mokhtari M, Abdul-Malek Z .  A Critical Rev i ew  on Soil Ionisatio n Modelling for  Grounding Elect rodes.  Ar chi ves  of  Ele ctrica l Eng i n eering . forth c oming, 2016 ; 65(25 7): 1-11.  [8]   He J,  Zeng R ,   Zhang B. Method olog y  an d  Tech nolog y  for Power S y stem Groun ding 1 st  ed. Sing apore: John Wiley   & Sons; 2013.  [9]   Electrical and   Magnetic Pr operties of  Rock  an d Soil. Theor e tical Note s, Note 18, U.S .  Ge olo g ical Survey ; 1 986  [cited 30  November 2015]. Available from: http s://www.ece.unm.edu/ summa/notes/Theoretical.html1983.  [10]   Bigelowand RC , Eberle WR. Empirical pr edic ti ve curves for  r e sistivit and di el ectric constant of  earth m a t e ri als :   100 Hz to  100  MHz. Open-File Report 83-911,  US Geological S u rvey , 1972 [11]   Cavka D, Mora  N, Rach idi F .  A  Comparison of  Frequency - Dep e ndent S o il  M ode ls: Applic at ion t o  the  Anal ysis o f   Grounding S y stems.  IEEE Transactions on  El ectromagnetic Com patibility . 2014 56(1): 177-87 [12]   Alipio R, Visacr o S. Frequency   De pendence of  Soil Paramete rs: Effect on the  Lightni ng Respon se of Grounding  Ele ctrodes.   IEEE Transactions  on Electromagn etic Compatib ility . 2013 ; 55(1) : 1 32-9.  [13]   Alipio R, Visacr o S. Impulse Effici ency  of Grounding Electrodes :  Effect of  Frequency - Depend en t Soil Parameters IEEE Transactio ns  onPower Delivery . 2014; 29(2 ) : 716-23.  [14]   A kbari M ,  S h es h y ek ani K ,  A l e m i M R . The Eff ect of F r equenc y D e p e nden ce o f  S o il El ectr i c a l  P a ram e ters  on t h e   Lightning Perfor m ance of Grounding S y stems.  IEEE Transactio ns on Elect romagneti c Compatibilit y . 2013; 55(4 ) 739-46.  [15]   Smith KS, Long mire CL. A univ e rsal  im pedanc for s o ils . D e fens e N u cl ear  A g enc y ,  A l ex andri a ,V A ,  U S A ,  Topi ca Report, 1975.  [16]   Visacro S, Alipio R. Frequency De pendence of  Soil Parameters: Experime ntal Results, Predicting Formula and  Influence on th e Lightn i ng Resp onse of Grounding Electrod e s.  I EEE T r ansactio ns on Power Del i very . 2012; 27( 2):  927-35.  [17]   Heidler  F .   Analy tisc h e  Blitzstromfunk tion zur  LEMP- Be re c h nung . 18 th  In tern ation a l Conf erence on  Lightn i ng  Protection .  Munich. 1985 ; 1 :  16- 20.  [18]   Rachidi F ,  J a nis c hew s k y j  W ,  H u s s e in A M , N u cci CA , G u errieri S ,  K o rdi B, et al.  Current and el ec trom agneti c fiel associat ed with l i ghtning-r e turn strokes to ta ll to wers.  IEEE Transactions on Elect romagneti c Compatibili ty . 2001 43(3): 356-67 [19]   Grcev L, Dawalibi F. An el ectro magnetic model  for transients in grounding s y stems.  IEEE T r ansactions on Powe Deliv ery . 1990;  5(4): 1773-81 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I S SN 2 088 -87 08  IJEC E V o l .  6, No . 2, A p ri l  20 16   :    79 2 – 7 9 9   79 9 [20]   Rudenberg R .   Electr i cal Shock   Waves in Power  S y st ems. Cambr i dge, MA:Harvard  University  Pr ess,1986.  [21]   Mokhtari M, A bdul-Malek  Z,  Salam Z. An I m proved  Circuit-Based Model of a Grounding Electrod e   b y   Considering the Current Rate o f   Rise and Soil  Ionization Facto r s.  IEEE T r ansactions on Power Delivery . 2015 30(1): 211-9 .   [22]   Sunde ED. Ear t h  Conduction Ef f ects  in  Transmissi on S y stems. 2n d ed. New York: Dover; 196 8.  [23]   Stoll RL, Chen G, Pilling N. Com p arison of  t w o si m p le high-frequenc y  e a rthi ng electro des.  I EEProc eedings on  Generation, Transmi ssion and Distribution . 2004 ; 151(2): 219-24.  [24]   Bellas c hi PL, Armington RE, Snowden  AE. Impulse and  60-C y cle Char acte r i stics of Driven Grounds -  II.  T r ansactions of t h e Ameri c an Ins titut e  o f  E l e c tric al Eng i neers . 19 42; 61(6): 349-6 3     BIOGRAP HI ES OF  AUTH ORS       M. Mokhtari received  the B.Sc.  de gree in electrical  engineering  fr om the Univ ersity  of Applied  Science and  Technolog y ,  Tehran , Iran ,  in 2003 the M.E. degr ee  in electr i cal  eng i neer ing from  the Universiti Teknologi Malay s ia, Johor, Malaysia , in 2013 , and  is currently  purs u ing the Ph.D.  degree in e l e c tr ica l  engine ering  at the Ins titut e  of High Voltage and High Current (IVAT),  Universiti Tekn ologi  M a l a y s ia . His  research   int e re st  includ es th e high vo lt age  e ngineer ing,  the   power s y stem  tr ansient sim u lation, software  d e v e lopm ent forhig h-frequency   gro unding s y stem s,  and insulation  coordination .           Z. Abdul-Malek  received  th e B . E. degr ee  in  electr i cal and  co mputer  s y stems from Monash  University , Melbourne, Australia, in 1989, th e M. Sc. degree in  electric al and  electromagnetic  engineering with  industrial appli cations from the University  of  Wa les Cardiff,  Cardiff, U.K., i n   1995 and th e Ph.D. degree in  hig h  voltag e   engineer ing from Card iff University , Cardiff, U.K .,  in   1999.He was a  Lecturer with Universiti Tekno logi  Malay s ia (U TM) for 26  y ear s, where he is  currently  a Prof essor of High Voltage  Engin eerin gw ith the  F acul t y  of  El ectr i c a E ngineer ing. He  is curren t l y   the   Director  of th e I n stitute  of High   Voltage  and Hig h  Current  (IVAT), UTM .  He has   published two books, and has authored and co-a uthor ed more than 100 papers in varioust  echni cal  journa ls  and conf ere n ce pro ceed ing s . H i s  res ear ch  inter e s t s  inc l u d ehigh-volt a ge  instrumentation, lightning prot ection, detectio n and warning  sy ste m s,  pa rtia l disc ha rge s ,   nanodielectrics ,   and cond ition  m onitoring  of pow er equ i pm ents.  Professor Abdul -Malek is activ el y  invo lved in  m a n y  nation a l com m ittees. He is the Chairm an,  Working Group on High-Voltag e  and High-Curr ent Te st Techniques. He is  also a member of   IEC Certifi c a tio n Bod y  M a nage m e nt Comm ittee ,  Techn i c a l Com m ittee on High Voltage P o wer  Transmission,  Working Group on High Vo ltage  Switchgear  and Con t rolg ears, Techn i cal   Working Group for Electr i calTesting,  and Depa rtment of Standards IEC 17 025 Techn i cal  Asse ssor s .  He  is  a m e m be r of the  Powe r a nd Ene r gy  Soc i e t y ,  Die l e c t ric s  a nd Ele c t ric a l Insula tion  S o ciet y,  and  CI G R E.         C. L .  W ooi r e c e i v ed th e B.S c . d e gree  in e l e c tri cal  and  ele c troni e ngineer ing from   the Univ ersiti  M a la y s ia  S a bah ,  M a la ysi a ,  in 20 11, th e M . E .  deg r ee  in  ele c tri c a l   engine ering f r o m  the Universi ti  Teknologi Malay s ia, Johor, Malay s ia, in 2013 and  is  currently pursuing th e P h .D. degree in  ele c tri cal  engine ering at th e Institut e  of  High Voltage and Hi gh Curre nt (IVAT), Universit i   Teknologi Malay s ia. His research interest in clud es  the high voltage engineering ,  electromagnetic  field  and  ligh t ni ng m eas urem ent .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.