Noise Control of High-Voltage Devices for the Development of Sustainable and Resilient Transmission Lines

Electricity production and consumption measure a country's status of development. Industries and sectors with higher requirements of electricity are more advanced and produce goods and services that are more valuable and contribute not only to greater economic development but also to better well-being of the residents benefitting from those. It is thus important for all the entities - be them residential, commercial, or industrial - in a country to receive ample power for their needs. Transmission lines play a crucial role in satisfying this objective and hence, their maintenance and steps to ensure their longevity are of prime importance. The power transferred through transmission lines cannot always be ensured to be constant. This puts the lines, which are designed based on their geometry and materials for certain maximum loads, at risk of overheating in case they are subjected to power higher than their limit. This can lead to their damage, which is accompanied by disruption of power to the subsequent devices in the circuit, disruption of all the operations by the consumers that are located downstream, and lower longevity of the lines in themselves. This necessitates the incorporation of circuit breakers that help to disconnect the circuit temporarily in case of unforeseeable power surcharges upstream. Once the upstream power is restored to normalcy, the circuit breaker is used to complete the circuit to resume the flow of power. This leads to the avoidance of any potential damage brought to the circuit, a more durable circuit, and shorter power outages. A circuit breaker installed on transmission lines is named Organo Manovra su Palo (OMP) in Italian. The device, for smaller power loads, namely 170 kV are to be present close to residential areas and due to its operation is a noise source. On the other hand, in urban areas, the need for distribution of power downstream of step-down transformers to residential, commercial and industrial consumers has given rise to electrical equipment named Smistatore Compatto su Palo, abbreviated to SCP, or Compact Sorter Pole in English. In addition to its purpose stated above, the device, through its operation, is a source of heat and noise. Dissipating its heat is of prime importance, as well as the attenuation of noise for the residents in vicinity of the device to not get affected by it. To substantiate on noise pollution being one of the factors of the deteriorating long-term health of human beings throughout the world, it leads to various disorders such as high stress, high blood-pressure, hearing loss, disturbance in sleep, increased heart-rate, vasoconstriction, elevated adrenaline levels, changes in the immune system, and anxiety. Exposure to elevated noise alone contributes to 48000 cases of heart disease and 12000 premature deaths every year in Europe. Treating noise and mitigating its propagation in the environment is necessary in all spheres of life. This work aims to delve deeper into the noise generation of OMP and characterisation of the sound profile, that has been acquired by noise acquisition of the circuit breakers at the substation of suppliers. It then simulates the noise produced by an OMP device and verifies if the sound pressure level (SPL) at certain distances follows the Italian legal limits of noise. This work then progresses to SCP and simulates its structure and conducts extensive simulations to find the thermal and fluid flow of energy in and out of the shelter. Optimum positions of the inlet and outlet are found through sensitivity analyses and materials of the passive structures and their thicknesses are selected to ensure a robust dissipation of heat. The results of the thermo-fluid simulations are experimentally validated, before the acoustic simulations are performed to ensure that the SPLs at certain distances satisfy the Italian legal limits. Further research into investigation of material properties is also performed to find the

La produzione e il consumo di elettricità misurano lo stato di sviluppo di un Paese. Le industrie e i settori con un fabbisogno energetico più elevato sono più avanzati e producono beni e servizi di maggior valore, contribuendo non solo a un maggiore sviluppo economico, ma anche a un migliore benessere dei residenti che ne beneficiano. È quindi fondamentale che tutte le entità di un Paese, siano esse residenziali, commerciali o industriali, ricevano energia sufficiente per le proprie esigenze. Le linee di trasmissione svolgono un ruolo cruciale nel raggiungimento di questo obiettivo e, pertanto, la loro manutenzione e le misure volte a garantirne la longevità sono di primaria importanza. Non è possibile garantire che la potenza trasferita attraverso le linee di trasmissione sia sempre costante. Questo espone le linee, progettate in base alla loro geometria e ai materiali per determinati carichi massimi, al rischio di surriscaldamento in caso di potenza superiore al limite. Ciò può causare danni, con conseguente interruzione dell'alimentazione ai dispositivi successivi nel circuito, interruzione di tutte le operazioni da parte dei consumatori situati a valle e riduzione della longevità delle linee stesse. Ciò richiede l'installazione di interruttori automatici che aiutino a scollegare temporaneamente il circuito in caso di sovraccarichi di potenza imprevisti a monte. Una volta ripristinata la normalità della potenza a monte, l'interruttore automatico viene utilizzato per completare il circuito e ripristinare il flusso di energia. Ciò consente di evitare potenziali danni al circuito, di ottenere un circuito più duraturo e di ridurre le interruzioni di corrente. Un interruttore automatico installato sulle linee di trasmissione è denominato Organo Manovra su Polo (OMP). Il dispositivo, per carichi di potenza inferiori, in particolare 170 kV, deve essere presente in prossimità di aree residenziali e, a causa del suo funzionamento, è una fonte di rumore. D'altra parte, nelle aree urbane, la necessità di distribuire l'energia a valle dei trasformatori riduttori di tensione verso utenze residenziali, commerciali e industriali ha dato origine ad apparecchiature elettriche denominate Compact Sorter on Pole, abbreviato in SCP, o Compact Sorter Pole in inglese. Oltre alla sua funzione sopra indicata, il dispositivo, a causa del suo funzionamento, è una fonte di calore e rumore. Dissipare il calore è di fondamentale importanza, così come l'attenuazione del rumore per evitare che i residenti in prossimità del dispositivo ne siano influenzati. A conferma del fatto che l'inquinamento acustico è uno dei fattori che contribuiscono al deterioramento a lungo termine della salute umana in tutto il mondo, esso porta a diversi disturbi come stress elevato, ipertensione, perdita dell'udito, disturbi del sonno, aumento della frequenza cardiaca, vasocostrizione, elevati livelli di adrenalina, alterazioni del sistema immunitario e ansia. La sola esposizione al rumore elevato contribuisce a 48.000 casi di malattie cardiache e 12.000 morti premature ogni anno in Europa. Trattare il rumore e mitigarne la propagazione nell'ambiente è necessario in tutti gli ambiti della vita. Questo lavoro si propone di approfondire la generazione di rumore da parte di un dispositivo OMP e la caratterizzazione del profilo sonoro, acquisito tramite l'acquisizione del rumore degli interruttori automatici presso le sottostazioni dei fornitori. Successivamente, simula il rumore prodotto da un dispositivo OMP e verifica se il livello di pressione sonora (SPL) a determinate distanze rispetta i limiti di legge italiani sul rumore. Questo lavoro prosegue poi con la simulazione della struttura SCP e conduce simulazioni approfondite per determinare il flusso termico e fluido di energia in entrata e in uscita dal rifugio. Le posizioni ottimali di ingresso e uscita vengono individuate attraverso analisi di sensibilità e i materiali delle strutture