Kuliah Teknik Tegangan Tinggi (1)

TKE 474
High Voltage Engineering
~High
Engineering~
O e o tage
Overvoltage 
and 
Insulation Coordination

06/12/2011

Overvoltage ‐‐‐‐‐‐> Insulation coordination
Insulation coordination:
1. Insulation coordination is the selection of the 
insulation strength.
insulation strength
2. The "selection of the insulation strength 
consistent with the expected overvoltages to 
obtain an acceptable risk of failure.
3. Insulation coordination is the "process of 
bringing the insulation strengths of electrical 

equipment into the proper relationship with 
expected overvoltages
t d 
lt
and with the 
d  ith th  
characteristics of surge protective devices"

06/12/2011

Types of Overvoltages
Overvoltages stressing a power system can 
generally be classified into two main types:
1. External overvoltages:
Generated by atmospheric disturbances i.e: 
li ht i   t ik
lightning strike
2 Internal overvoltages:
2.
Generated by changes in the operating 

conditions of the network and can be divided 
into  two types i.e:
(a) switching overvoltages and 
(b)
(b) temporary overvoltages
l
06/12/2011

ÖTypically :
yp
y
• straight hit to conductor
• back flashover via grounded component
• induced

The Lightning Discharge

06/12/2011

Nature of Danger of Lightning Strike


06/12/2011

The Lightning Discharge

06/12/2011

The Lightning Voltage Surge
Ö Propagating overvoltage into both directions along 
the conductor
• Typically Z0 = 250 – 500 Ω
Ö overvoltage ~
lt   MV
0 m
U

620 m

1600


1300 m
3

2200 m

kV

1200

800

400

0
06/12/2011

0

1


2

3

4

t /  μ s

Back flashover via grounded component
g
p

Ö flashover from grounded component to 
phase conductor and called back flashover
06/12/2011

Induced Overvoltages

‰ lightning current cause a rapidly changing 
magnetic field into the LC loops of the line inducing a 

voltage
i

Vinduced

h
= k i Z0
d

d

h

k = considers propagation speed of discharge current. Typically 1.2 – 1.3
i = peak lightning current
h   h i h   f 
h = height of conductor, 
d
 
d = distance of stroke from conductor 

06/12/2011

Internal Overvoltages
busbar short circuit

asynchronous network

disruption of capacitive current

06/12/2011

line fault

disruption of small inductive current

voltage applied to no load line
voltage applied to no‐load line

Power System Overview (HV aspect)


Insulation Over‐voltages

Electric insulation is a vital part of an 
electrical power system, a careful 
analysis of the line insulation to ensure 
an adequate line design is needed
(
(Stewart et al, 1992). 
l
)

Power System Overview (HV aspect)

* Continuous Power Frequency Voltages 

The insulation has to withstand normal 
Th  i
l i  h     i h



operating voltages. The voltage may 
fluctuates caused changing the load. The 
normal range of fluctuation is around 
+10%.

Power System Overview (HV aspect)

The voltage Vmax is used for the selection of number of insulators for line 
application. 

Typical number of 
string glass insulator 

Power System Overview (HV aspect)

• Basic Switching Impulse Insulation Level 
(BSL)
The BSL
e BS is the electrical strength of insulation 
s t e e ect ca st e gt o su at o

expressed in terms of the crest value of a 
sta da d s tc g pu se. e stat st ca
standard switching impulse. The statistical 
BSL, insulation exhibits a 90% probability of 
withstands a 10% probability of failure. In IEEE 
%p
y
Std 1313.1‐1996, the BSL is called the switching 
impulse withstand voltage.
p
g

Power System Overview (HV aspect)

B i  Li h i  I
l  
• Basic Lightning Impulse 
(
)
Insulation Level (BIL)


The BIL or basic lightning impulse 
insulation level is the electrical 
strength of insulation expressed in 
terms of the crest value of the 
standard lightning impulse. 

Power System Overview (HV aspect)

I
Impulse Insulation Strength
l  I
l i  S
h

Insulation strength is expressed in terms of 
conventional or statistical BILs and BSLs. 
For every application of an impulse having the 
standard waveshape and whose crest is equal 
to the BIL or BSL  the probability of a 
to the BIL or BSL, the probability of a 
flashover or failure is 10%. 
The mean of this distribution or characteristic 
is defined as the critical flashover voltage or 
critical flash over (CFO)  
critical flash over (CFO). 

Impulse Insulation Strength
Power System Overview (HV aspect)

For the transmission line insulation strength is 
Power System Overview (HV aspect)
usually statistically described by a CFO voltage at 
which the insulation exhibits a 50% probability of 
flashover and by a standard deviation
fl h
  d b     t d d d i ti σ which is 
hi h i  
approximately 5% of the CFO (IEEE Std. 62.22, 1997)

Power System Overview (HV aspect)
• Switching Impulse Strength of Tower

p
Conversion three to six‐phase transmission lines will 
effect on the existing tower insulation i.e. striking 
distance (clearance) and the insulator string length 
(number of insulator). The statistical withstand 
voltage for line insulation V3 is defined as:

Power System Overview (HV aspect)
Clearance area is depending on horizontal 
and vertical distance between conductor and 
tower.
Horizontal and vertical distance is 4.42 
meter and 1.78 meter. Relationship between 
the CFO and the strike distance can be 
approximated by
pp
y : 

Power System Overview (HV aspect)

S
kg

W

is the flash distance (meter)
is gap factor. For a lattice steel
t
tower, 
 kg is about 1.2
i   b t 
(IEEE Std 1313.2‐1999),
is conductor height, and
is tower width (horizontal distance
DH)

Power System Overview (HV aspect)
Minimum clearance based on lightning impulse
In the clearances calculation based on lightning impulse (LI), 
clearances are calculated by dividing the highest equivalent 
crest voltage for the 1.2/50 μs impulse wave shape. Clearance 
phase‐to‐ground can be calculated by using: