Improved Conductor Subdivision Method
Improved Conductor Subdivision Method
254–262
       Keywords: line series impedance, arbitrary cross-section conductors, conductor-subdivision-based method, skin effect, proximity
       effect, overhead transmission lines and underground cables
    Fig. 2. Calculated result of the resistance part of the line                    Fig. 5. Calculated result of a current distribution at 5 Hz
    series impedance for Example A                                                  for Example B
                                                                       – 30 –
                                                                         ∗                             ∗
             This paper describes an improvement of a conductor-subdivision-based method for calculating the frequency-
           dependent series impedance matrix of arbitrary cross-section conductors considering both skin and proximity effects.
           Analytical skin-effect formulas are available, but they are only for some simple conductor shapes and the proximity ef-
           fect is ignored. Conductor-subdivision-based approaches can take into account both skin and proximity effects and are
           applicable to arbitrary cross-section conductors. However, at high frequencies where skin depth becomes very small,
           the subdivision-based approaches require an unrealistic number of subdivision. The proposed improvement assumes a
           current distribution obtained by an analytical skin-effect formula at surface subconductors for accurately representing
           the skin effect at high frequencies. Numerical examples show that the proposed improvement accurately reproduces
           the skin and proximity effects with a small number of subdivision even at high frequencies.
           Keywords: line series impedance, arbitrary cross-section conductors, conductor-subdivision-based method, skin effect, proximity
           effect, overhead transmission lines and underground cables
1.
                                                                                                                                            (4) (5)
                                                             Maxwell
                                                   Carson (1)
                                                         Pollaczek (2)
Schelkunoff (3)
(6) (10)
         240-0196                 2-6-1
      Electric Power Engineering Reseach Lab., CRIEPI
      2-6-1, Nagasaka, Yokosuka 240-0196
c 2008 The Institute of Electrical Engineers of Japan.                   254
                                                                                                              Lii                                       i          j                                                    Li j
                                                                                                                                                         (8)
                                                                                                                         µ      D2ik
                                                                                                                  Lii =     ln          · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · (2)
                                                                                                                         2π Dii Dkk
                                                                                                                          µ    Dik D jk
                                                                                           3                      Li j =    ln            · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · (3)
                                                                                                                         2π Dkk Di j
                                                                                                                       Dii                                             i                                                    Di j
                                                                                                                                          i        j                                                              µ
                                                                                                                                                                                                     Dii
                                                                                                                                               ln 2 + π 25
                                                                                                                  ln Dii = ln a +                      −    · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · (4)
                                                                                                                                                   3     12
                                                                                                                                                                                            Di j
                                                                                                                                                                                                                            (11)
                                                                                                           i j                                                 di j
                                                                                                           di j = a
2.
                                                                                                                                         π 25      7
                                                                                                                  ln Di j = ln 2a −        −    +    ln 5
                                                                                                                                         3 12 24
                                                                                                                                    2          8
                                                                                                                                   + arctan 2 + arccot 2· · · · · · · · · · · · · · · · (5)
                                                                                                                                    3          3
2 1                                                                                                               Di j  di j · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · (6)
                                                                                       n
                                                                                   a
1                                                                 3
            3                                                         i     j k                                2 2
                                                                                       k                                                      (1) (3)
                                                                  i   j
                                k                                                                                                                                               V1 V2 . . .                  Vn
                                                                                                                                                       I1 I2 . . .               In
                                                 Ri                    ρ                       a2                                                                                                              −∆Vn
                                                                                                                       ⎡              ⎤ ⎡                                           ⎤⎡ ⎤
            ρ                                                                                                          ⎢⎢⎢∆V1 ⎥⎥⎥ ⎢⎢⎢Z11               Z12             . . . Z1n ⎥⎥⎥ ⎢⎢⎢I1 ⎥⎥⎥
     Ri =      · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · (1)                       ⎢⎢⎢          ⎥ ⎢                                           ⎥⎥ ⎢⎢ ⎥⎥
            a2                                                                                                             ⎢⎢⎢∆V2 ⎥⎥⎥⎥⎥ ⎢⎢⎢⎢⎢Z21       Z22             . . . Z2n ⎥⎥⎥⎥ ⎢⎢⎢⎢I2 ⎥⎥⎥⎥
                                                                                                                  − ⎢⎢⎢⎢ . ⎥⎥⎥⎥ = ⎢⎢⎢⎢ .                ..             ..
                                                                                                                                                                                     ⎥⎢ ⎥
                                                                                                                                                                              .. ⎥⎥⎥⎥ ⎢⎢⎢⎢ .. ⎥⎥⎥⎥     · · · · · · · · · · (7)
                                                              i                                                              ⎢⎢⎢ .. ⎥⎥⎥ ⎢⎢⎢ ..           .                 .   . ⎥⎥⎥ ⎢⎢⎢ . ⎥⎥⎥
                                                                                                                               ⎢⎢⎣    ⎥⎥⎦ ⎢⎢⎣                                        ⎥⎦ ⎢⎣ ⎥⎦
                                                                                                                                  ∆Vn        Zn1       Zn2             . . . Znn In
                                                                                                                                                                                                                          V =
                                                                                                           [V1 V2 . . . Vn ]       T
                                                                                                                                           I = [I1 I2 . . . In ]                T
Z (7)
−∆V = ZI · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · (8)
(7) (8)
                                                                                                                                         Z
                                                                                                              k                                                                                                   V I
                            1                                                                                                                                  k
                  Fig. 1.       Subconductor arrangement.                                                             n                                                    n = n − 1
                                                          (7) (8)               Z                                                  −1
                                                                                                                       Zreduced = Yreduced                    · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · (14)
V     I                                                                     a b c g
                                                      a b c g
                                                            (7)                                                             ⎡               ⎤ ⎡                                     ⎤⎡ ⎤
                                                                                                                            ⎢⎢⎢∆Va ⎥⎥⎥ ⎢⎢⎢Zaa            Zab       Zac       Zag ⎥⎥⎥ ⎢⎢⎢Ia ⎥⎥⎥
         ⎡                  ⎤ ⎡                                        ⎤⎡ ⎤                                                   ⎢⎢⎢⎢          ⎥⎥ ⎢⎢                                   ⎥⎥ ⎢⎢ ⎥⎥
         ⎢⎢⎢[∆Va ]⎥⎥⎥ ⎢⎢⎢[Zaa ] [Zab ] [Zac ] [Zag ]⎥⎥⎥ ⎢⎢⎢[Ia ]⎥⎥⎥                                                              ⎢∆Vb ⎥⎥⎥⎥⎥ ⎢⎢⎢⎢⎢Zba     Zbb       Zbc       Zbg ⎥⎥⎥⎥ ⎢⎢⎢⎢Ib ⎥⎥⎥⎥
           ⎢⎢⎢              ⎥⎥⎥ ⎢⎢⎢                                    ⎥⎢ ⎥                                            − ⎢⎢⎢⎢                  =                                     ⎥⎥ ⎢⎢ ⎥⎥        · · · · · · · · (15)
             ⎢⎢⎢[∆Vb ]⎥⎥⎥ ⎢⎢⎢[Zba ] [Zbb ] [Zbc ] [Zbg ]⎥⎥⎥⎥⎥ ⎢⎢⎢⎢⎢[Ib ]⎥⎥⎥⎥⎥                                                    ⎢⎢⎢∆Vc ⎥⎥⎥⎥⎥ ⎢⎢⎢⎢⎢Zca   Zcb       Zcc       Zcg ⎥⎥⎥⎥ ⎢⎢⎢⎢ Ic ⎥⎥⎥⎥
      − ⎢⎢     ⎢              ⎥ = ⎢                                    ⎥⎢ ⎥                                                        ⎣⎢        ⎦⎥ ⎣⎢                                    ⎥⎦ ⎢⎣ ⎥⎦
               ⎢⎢⎢[∆Vc ]⎥⎥⎥⎥⎥ ⎢⎢⎢⎢⎢[Zca ] [Zcb ] [Zcc ] [Zcg ]⎥⎥⎥⎥⎥ ⎢⎢⎢⎢⎢[Ic ]⎥⎥⎥⎥⎥                                                  ∆Vg           Zga   Zgb       Zgc       Zgg Ig
                 ⎣⎢           ⎦⎥ ⎣⎢                                    ⎥⎦ ⎢⎣ ⎥⎦
                   [∆Vg ]          [Zga ] [Zgb ] [Zgc ] [Zgg ] [Ig ]
                                                  · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · (9)
                                                                                                                                                                          Zreduced
                                                                                     a b c
    a b c                                                               g
                                                                                                                       Ia + Ib + Ic + Ig = 0                      · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · (16)
                                                                             Z sorted
                                                                                                                                      (15)
                   −1                                                                                                                              Zreduced                                           3×3
      Y sorted = Z sorted · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · (10)
                                                                                                                           Zreduced               ij
(9)
      ⎡ ⎤                     ⎡                                           ⎤⎡              ⎤                            Zi j + Zgg − Zig − Zg j                    · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · (17)
      ⎢⎢⎢[Ia ]⎥⎥⎥             ⎢⎢⎢[Yaa ]        [Yab ] [Yac ] [Yag ]⎥⎥⎥ ⎢⎢⎢[∆Va ]⎥⎥⎥
        ⎢⎢⎢ ⎥⎥⎥                 ⎢⎢⎢                                       ⎥⎥⎥ ⎢⎢⎢         ⎥⎥                                                                    j=a b c
          ⎢⎢⎢[Ib ]⎥⎥⎥             ⎢⎢[Yba ]     [Ybb ] [Ybc ] [Ybg ]⎥⎥⎥ ⎢⎢⎢[∆Vb ]⎥⎥⎥⎥                                                                      i
            ⎢⎢⎢⎢ ⎥⎥⎥⎥ = − ⎢⎢⎢⎢⎢                                             ⎥⎥ ⎢⎢          ⎥⎥
               ⎢⎢⎢[Ic ]⎥⎥⎥         ⎢⎢⎢[Yca ]   [Ycb ] [Ycc ] [Ycg ]⎥⎥⎥⎥ ⎢⎢⎢⎢[∆Vc ]⎥⎥⎥⎥                                                                         N
                 ⎣ ⎦                 ⎣                                       ⎥⎦ ⎢⎣          ⎥⎦
                  [Ig ]               [Yga ]   [Ygb ] [Ygc ] [Ygg ] [∆Vg ]
                                                         · · · · · · · · · · · · · · · · · · (11)                 3.
          a
       [∆Va ]
  [∆Va ]                                             ∆Va                                                          3 1
[∆Vb ] [∆Vc ] [∆Vg ]                                                                                    a
                                                                                                        a                                                                   2
                                                                               [Ia ]
                                                                   Ia                                                            y
          [Ib ] [Ic ] [Ig ]                                                             n × 1
              V 4×1
                                                                      T
      ∆Vreduced = ∆Va ∆Vb                                  ∆Vc      ∆Vg · · · · · · · · · (12)
      n × 1                                          I        4×1
                                                         T
      Ireduced = Ia                      Ib     Ic    Ig · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · (13)
                                                                                       n × n
                                  Y sorted           4×4
                                                                                                                        µ/(8π)                                                                      (27)
                                                                                                                                                        (22)
(20)
                              a           a             jωµ
                                                  −           x
       I skin = J0                            e          ρ
                                                                  dxdy                                                                 ⎧                   ⎫
                                                                                                                                       ⎪
                                                                                                                                       ⎪                    ⎪
                                                                                                                                       ⎪ 4πρ           µa2 ⎪⎪
                          0           0
                                                                                                                                   1   ⎨                    ⎬
                               a                                                                                         L skin    Im ⎪
                                                                                                                                       ⎪       1 + jω       ⎪ · · · · · · · · · · · (29)
                                                                                                                                                      16π ρ ⎪
                                                                   jωµ
                                       −
               = ∆V √              1−e                              ρ    a
                                                                             · · · · · · · · · · · · · · · (21)                    ω   ⎪
                                                                                                                                       ⎩ a 2             2  ⎪
                                                                                                                                                            ⎭
                              jωµρ
                                                                                                                                       (1)                         (22)
                                                                                                                                                 Ri          (2)
                                          
                              ∆V
       R skin = Re                                                                                                                         D2ik
                              I skin                                                                                                  µ           µ
                     ⎧                                             ⎫                                                     Lii =          ln      −   + L skin · · · · · · · · · · · · · · · · (30)
                     ⎪
                     ⎪
                     ⎪                                             ⎪
                                                                   ⎪
                                                                   ⎪
                                                                                                                                      2π Dii Dkk 8π
                     ⎪
                     ⎪    √                                        ⎪
                                                                   ⎪
                     ⎪
                     ⎨      jωµρ                                   ⎪
                                                                   ⎬                                                          L skin           (29)
                = Re ⎪
                     ⎪                                             ⎪
                                                                   ⎪ · · · · · · · · · · · · · · · · · (22)
                     ⎪
                     ⎪
                     ⎪        − jωµ                                ⎪
                                                                   ⎪
                                                                   ⎪
                     ⎪
                     ⎩a 1 − e    ρ a                               ⎪
                                                                   ⎭
                                                                                                                                                                                                                    Ri
                                                                                                                                                         Lii
                                                                                                                                                           ACSR
                                                      jωµS
       Zapprox  Rdc                    1+
                                                      Rdc l2
                                                                                                                       3 2
                                              µS Rdc
                   =          R2dc        + jω 2 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · (23)
                                                l
           S      l
                              Rdc = ρ/S                                                             (23)
                                                                                                  (22)
                                  (23)                                                            µ/(8π)
                                   (23)                                                                                           3
                   (23)
       
                µS Rdc  
           jω      2
                        jωµK · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · (24)
                  l
                                                                                                                            3                                  1
                                                                     3
4.
                                                                                                                                             3
                                                      a
                                                                                                                                       ρ = 2.5 × 10−8 Ωm
                                                                                  4 1                   1                                4(a)
                                                       a                                                     1                          2
                                                                                       1                    1 cm                                 300
                d              a × d
              (21) (22) (29)
               ⎧                   ⎫      ⎫                                                                                           0.1 Hz              10 MHz
               ⎪
               ⎪
               ⎪                   ⎪
                                   ⎪
                                   ⎪      ⎪
                                          ⎪
                                          ⎪
               ⎪
               ⎪      √            ⎪
                                   ⎪      ⎪
                                          ⎪
               ⎪
               ⎨        jωµρ       ⎪
                                   ⎬      ⎪
                                          ⎪
                                          ⎪                                                                         50
 Rskin   = Re ⎪
               ⎪                   ⎪
                                   ⎪      ⎪
                                          ⎪
                                          ⎪
               ⎪
               ⎪
               ⎪         −   jωµ   ⎪
                                   ⎪
                                   ⎪      ⎪
                                          ⎬                                            5                                     “with correction”
               ⎪  
               ⎩a 1 − e       ρ  d
                                   ⎪
                                   ⎭      ⎪
                                          ⎪ · · · · · · · · · (31)
                                          ⎪
                                          ⎪
                                          ⎪                                                                                            “without correc-
                                        ⎪
                                          ⎪
            1       4πρ             µa d ⎪
                                          ⎪
                                          ⎪                                    tion”
 Lskin    Im            1 + jω         ⎪
                                          ⎪
            ω       ad             16π2 ρ ⎭                                                                         “without correction”
                                                                                                                              (1) (3)
                                                                               “with correction”                   (1) (3)
                                                                                                                                  (30) (31)
                                                                                                                                         4(b)
                                                                                       2
                                                                                                                                                       (3)
                                                                                                                                Schelkunoff
                                             1 4                                                  Schelkunoff
        4                                                                                         TLCP Transmission Line Constants Program
                                                                                                     (14) (15)
                                                                               Ver. 2                                            4(c)
        1 3
Schelkunoff 1 1 cm 300
                                                                                                                                          0.1 Hz    10 MHz
                                                                                                                  50                               7(a)
                                                                                      (b)
                                    4(a)                                                                                          1                  “with
                                                                                  correction”
Schelkunoff
300
   4 2                 2
    6(a)
(a) Resistance
         5
                                           1                                                                    (b) Inductance
   Fig. 5. Calculated result of the resistance part of the line
   series impedance (Example 1).
                                                                                                                                                    2
                                                                                                                                                   2×2
                               1                                                          ⎡                 ⎤ ⎡                 ⎤          ⎡                  ⎤
                                                                                          ⎢⎢⎢Z11     Z12 ⎥⎥⎥⎥ ⎢⎢⎢⎢R11    R12 ⎥⎥⎥⎥          ⎢⎢L11       L12 ⎥⎥⎥⎥
                                                                                            ⎢⎢⎣             ⎥=⎢                 ⎥⎦ + jω ⎢⎢⎢⎣                  ⎥ · · · · · · (33)
                                                              1                                Z12   Z22 ⎦ ⎣R12          R22                 L12       L22 ⎦
                                                                                                                                      R11 R12 R22                           L11
                                                                                       L12 L22
                    6(b)                                            6(a)
                                                                                                      1                                            2
                                   6(b)
                                                                                               Z11        Z22
             µ0 0.10
        L=     ln    = 0.139 µH.· · · · · · · · · · · · · · · · · · · (32)
             2π 0.05
    7(b)
             (32)
                    7(c)       5 kHz                        3
                                                           1m
                                          1V
                                                                                                                         (a) Resistance
7(c)
4 3 3 2
    8
2
                                                                                                                         (b) Inductance
                                                                             1
                0.8 cm                        3626
                                                                                                      9
                                                                                                                                              3
                           8                         3                                    Fig. 9. Calculated result of the line series impedance
             Fig. 8. Conductor arrangement of Example 3.                                  and a current distribution (Example 3).
, , No.H05003 (2006-4)
           19     2       21                   19     6     1                                                         2003
                                                                                                                                 2004
                                                                                                           2006       9
1    J.R. Carson: “Wave propagation in overhead wires with ground return”, Bell
     Syst. Tech. J., Vol.5, pp.539–554 (1926)
2    F. Pollaczek: “Über das Feld einer unendlich langen wechselstromdurch-
     flossen Einfachleitung”, E.N.T., Band 3 (Heft 9), pp.339–360 (1926)
3    S.A. Schelkunoff: “The electromagnetic theory of coaxial transmission line
     and cylindrical shields”, Bell Syst. Tech. J., Vol.13, pp.532–579 (1934)
4
                                    ,                   , No.366 (1991)
5    N. Nagaoka, K. Yoshida, A. Ametani, and T. Karasaki: “Transient Sheath                                           1997
     Voltage Characteristic of a Crossbonded Cable Installed within a Tunnel”,                                                                           4
     T. IEE Japan, Vol.111-B, No.7, pp.784–790 (1991-7) (in Japanese)