Rangsit Journal of Arts and Sciences, July-December 2014 RJAS Vol. 4 No. 2, pp. 153-161 Copyright © 2011, Rangsit University ISSN 2229-063X (Print)/ISSN 2392-554X (Online) DOI : 10.14456/rjas.2014.16 153 Lightning protection zones in substation using shield wires Nit Petcharaks Department of Electrical Engineering, Faculty of Engineering, Dhurakij Pundit University, Thailand E-mail: nit.pes@dpu.ac.th Submitted 25 May 2014; accepted in final form 19 September 2014 ____________________________________________________________________________________________________________ Abstract Lightning protection system in substation may employ mast, shield wire or both. Calculation of lightning protection zone (LPZ ) is based on striking distance to ground, object and mast or shield wires. LPZ generated by mast looks like a tent and is different from that of shield wire. Equipment in substation is safe if it is covered by LPZ. Calculation of the LPZ is complicated especially when there are more masts or parallel/convergence shield wires making it more difficult to picture LPZ. This paper proposes Zone Apportionment Algorithm (ZAA) to apportion the LPZ into two zones corresponding to mast and shield wire, and further sub-apportion in two zones corresponding to non-overlapped and overlapped zones. The maximum height of protected equipment at each point in substation is then calculated. Integrating all points, results in a visual roof representing the LPZ. Equipment with its size and height is then laid in substation. If there is an emerging part above the visual roof, it displays the part that may encounter lightning strikes. ZAA is tested on five cases: one shield wire, two to three parallel shield wires and two to three convergence shield wires. Numerical results show that ZAA can produce visual LPZ correctly in all cases and illustrate verification of protection. Keywords: lightning protection zone, mast, shield wire, striking distance ________________________________________________________________________________________________ บทคัดย่อ ระบบป้องกันฟ้าผ่าในสถานีไฟฟ้าอาจใช้เสา สายชีลด์ หรือทั้งสองอย่าง โซนป้องกันฟ้าผ่าจะมีลักษณะคล้ายหลังคาบังแดดเช่นเดียวกับ เต้นท์แต่มีรูปร่างแตกต่างกันระหว่างโซนป้องกันของเสากับสายชีลด์ อุปกรณ์ภายในสถานีไฟฟ้าจะปลอดภัยถ้าถูกปกคลุมด้วยหลังคาของโซนป้องกัน ซึ่งไม่สามารถเห็นได้ด้วยตาเปล่าต้องใช้การคานวณและจินตนาการ การคานวณโซนป้องกันจะใช้ข้อมูลระยะช่วงก้าวฟ้าผ่าลงดิน ลงวัตถุหรืออุปกรณ์ และลงเสาหรือสายชีลด์ ซึ่งค่อนข้างซับซ้อนโดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อมีจานวนเสาเพิ่มขึ้น หรือมีจานวนสายชีลด์แบบขนานหรือแบบบรรจบมากขึ้น เปน การยากที่จะใช้การจินตนาการเพียงอย่างเดียว บทความนี้นาเสนอวิธีแบ่งจัดโซน (Zone Apportionment Algorithm, ZAA) ทาการจัดแบ่งเปน 2 โซน โซนที่เกิดจากเสาและที่เกิดจากสายชีลด์ และแบ่งย่อยลงไปอีก 2 โซน ตามโซนที่เกิดและไม่เกิดการทับซ้อนของโซนป้องกัน แล้วคานวณค่าสูงสุดของ อุปกรณ์ที่ได้รับการป้องกัน ณ แต่ละจุดในโซนป้องกัน นาแต่ละจุดมาเชื่อมต่อเข้าด้วยกันจะได้หลังคาของโซนป้องกัน จากนั้นก็เอาอุปกรณ์ทั้งขนาด และความสูงวางทับลงในแปลนของสถานีไฟฟ้าย่อย หากมีส่วนใดส่วนหนึ่งโผล่เหนือหลังคาของโซนป้องกัน ส่วนนั้นจะเปนส่วนที่เสี่ยงต่อฟ้าผ่า มี การทดสอบ ZAA ทั้งหมด 5 กรณี กรณีที่มีสายชีลด์เส้นเดียว กรณีที่มีสายชีลด์ 2-3 เส้นแบบขนานกัน และกรณีที่มีสายชีลด์ 2-3 เส้นแบบบรรจบกัน ผล การทดสอบแสดงให้เห็นว่า ZAA สามารถใช้สร้างภาพของโซนป้องกันได้ถูกต้องในทุกกรณีและสามารถตรวจสอบว่าอุปกรณ์ในสถานีไฟฟ้าได้รับ การป้องกันหรือไม่อย่างชัดเจน คำสำคัญ: โซนป้องกันฟ้าผ่า, เสา, สายชีลด์ , ระยะช่วงก้าวฟ้าผ่า ________________________________________________________________________________________________ 1. Introduction Lightning protection system (LPS) is designed to protect equipment in substation against lightning strikes. The LPS may employ mast, shield wire or both. Mast generates a lightning protection zone like a cone shaped tent, whereas shield wire generates a triangular shaped tent. Equipment in substation is safe if it is lower than the virtual tent roof. Calculation protection zone from mast is complicated. It is more difficult when more masts are used. Thus, Zone Apportionment Algorithms (ZAA) was proposed by Petcharaks (2013). Verification whether an object in substation using 1-4 mast(s) is protected or not, was proposed by Petcharaks (2012a). Determination whether equipment is protected against lightning strikes, can be carried out by identifying the critical points and calculating the corresponding critical height. If the equipment height is higher than the critical height, it will protrude above the LPZ roof and be the risk part. LPS is designed based on the lightning distances to ground, mast and object (Hileman, 1999). The background and experience of