abstrakte: As die kernkomponent van 500kV hoëspanning transmissielyne, paaltorings dra die dubbele funksies van ondersteunende geleiers en aarding. Weerlig is een van die grootste bedreigings vir die veilige en stabiele werking van transmissielyne, en die elektromagnetiese verbygaande reaksie van paaltorings onder weerligimpuls volle golwe beïnvloed die isolasiekoördinasie en weerligbeskermingsontwerp van die hele kragstelsel direk. In hierdie dokument, 'n Omvattende studie oor die elektromagnetiese verbygaande eienskappe van 500kV transmissielyn paal-torings onder weerligimpuls volgolf word uitgevoer deur teoretiese analise te kombineer, eindige element simulasie, en eksperimentele toetsing. Eerste, die teoretiese basis van elektromagnetiese oorgange onder weerligimpuls word uitgebrei, insluitend die kenmerke van weerlig impuls volle golwe, die wet op die verspreiding van elektromagnetiese velde, en die verbygaande reaksiemeganisme van paal-toringstrukture. Toe, 'n driedimensionele eindige elementmodel van 'n 500kV-hoek staal paal-toring word gevestig met behulp van ANSYS Maxwell-sagteware, en die weerlig impuls volle golf (1.2/50μs) word toegepas om die elektromagnetiese verbygaande proses van die paal-toring te simuleer. Die verspreidingskenmerke van verbygaande spanning, verbygaande stroom, en verbygaande elektromagnetiese veld van die paal-toring onder verskillende weerligstaking posisies (bokant die toring, kruis arm, en dirigent) en verskillende aardingsweerstandwaardes word ontleed. Selfondersteunende Staalrooster Telecom Radar Tower, 'n verkleinde skaal eksperimentele model van die paaltoring word gebou op grond van die ooreenkomsbeginsel, en weerligimpuls volgolftoetse word uitgevoer om die korrektheid van die simulasieresultate te verifieer. Die resultate wys dit: (1) Die weerligslagposisie het 'n beduidende impak op die elektromagnetiese verbygaande reaksie van die paaltoring. Die verbygaande spanning en stroom aan die bokant van die toring is die grootste wanneer weerlig die bokant van die toring tref, en die elektromagnetiese veldintensiteit naby die kruisarm is die hoogste wanneer weerlig die kruisarm tref. (2) Met die toename van aardingsweerstand, die verbygaande spanning by elke deel van die paal-toring neem aansienlik toe, en die verswakkingstempo van verbygaande stroom neem af, wat die risiko van isolasie oorslaan verhoog. (3) Die verbygaande elektromagnetiese veld rondom die pooltoring verval eksponensieel met die toename van afstand, en die elektromagnetiese veldintensiteit op dieselfde afstand is die grootste in die rigting van die weerlig. (4) Die simulasieresultate stem goed ooreen met die eksperimentele resultate, met 'n fout van minder as 8%, wat die betroubaarheid van die gevestigde eindige element model verifieer. Hierdie studie bied 'n teoretiese basis en tegniese ondersteuning vir die optimalisering van weerligbeskermingsontwerp, isolasie koördinasie, en veilige werking van 500kV transmissielyn paal-torings.

sleutelwoorde: 500kV transmissielyn; paal-toring; weerlig impuls volle golf; elektromagnetiese oorgang; eindige element simulasie; eksperimentele verifikasie

Met die vinnige ontwikkeling van die kragbedryf, 500kV hoogspanning transmissielyne het 'n belangrike deel van die nasionale kragnetwerk geword, die belangrike taak van langafstand- en grootkapasiteit-kragoordrag aanpak. Die veilige en stabiele werking van 500kV transmissielyne hou direk verband met die betroubaarheid van die hele kragstelsel en die normale werking van sosiale produksie en lewe. Maar, weerlig is een van die belangrikste natuurrampe wat die veilige werking van transmissielyne bedreig. Volgens statistieke, weerlig veroorsaak foute verantwoordelik vir meer as 40% van die totale foute van hoogspanning transmissielyne, en in sommige weerlig-gevoelige gebiede, hierdie verhouding kan selfs meer as bereik 60% [1]. Wanneer 'n weerlig op 'n transmissielyn of paaltoring plaasvind, 'n sterk weerligimpuls volgolf sal gegenereer word, wat komplekse elektromagnetiese verbygaande verskynsels in die paal-toringstruktuur sal veroorsaak. Hierdie verbygaande verskynsels sal oorspanning en oorstroom in die paal-toring en sy aangehegte toerusting veroorsaak, wat kan lei tot oorslaan van isolasie, skade aan toerusting, en selfs kragonderbrekings, groot ekonomiese verliese en sosiale impak tot gevolg het [2-3].

As die belangrikste ondersteunende en grondkomponent van die transmissielyn, die paal-toring se elektromagnetiese verbygaande reaksie onder weerligimpuls volgolf is die kernkwessie van die weerligbeskermingsontwerp van die transmissielyn. Die paaltoring word gewoonlik van hoekstaal gemaak, staal pyp, of beton, en die struktuur daarvan is kompleks, wat verskeie komponente soos die toringliggaam behels, kruis arm, isolator tou, en aardingstoestel. Wanneer weerlig slaan, die elektromagnetiese verbygaande proses van die paal-toring word deur baie faktore beïnvloed, soos die weerligslagposisie, weerligstroom parameters, weerstand grou, en paal-toring struktuur [4]. daarom, in-diepte studie van die elektromagnetiese verbygaande eienskappe van 500kV paal-torings onder weerligimpuls volgolf, die verspreidingswet van verbygaande spanning te bemeester, huidige, en elektromagnetiese veld, en die opheldering van die invloed van verskeie faktore op die verbygaande reaksie is van groot belang vir die optimalisering van die weerligbeskermingsontwerp van paaltorings, die verbetering van die isolasie-koördinasievlak van die kragstelsel, en die veilige en stabiele werking van 500kV transmissielyne te verseker.

In onlangse jare, met die voortdurende verbetering van rekenaarsimulasietegnologie en eksperimentele toetstegnologie, die navorsing oor die elektromagnetiese verbygaande eienskappe van kragtoerusting onder weerligimpuls het groot vordering gemaak. Maar, as gevolg van die komplekse struktuur van 500kV paal-torings en die sterk ewekansigheid van weerlig., daar is nog baie probleme wat opgelos moet word in die navorsing oor die elektromagnetiese verbygaande eienskappe van paaltorings: (1) Die bestaande navorsing fokus meestal op die weerligbeskermingsprestasie van die hele transmissielyn, en die navorsing oor die elektromagnetiese verbygaande reaksie van die paal-toring self is nie in-diepte genoeg nie; (2) Die invloed van verskillende weerligslagposisies en aardingsweerstandwaardes op die elektromagnetiese verbygaande eienskappe van die paaltoring is nie sistematies bestudeer nie; (3) Die akkuraatheid van die simulasiemodel moet geverifieer word deur meer betroubare eksperimentele data. daarom, dit is nodig om 'n omvattende en in-diepte studie uit te voer oor die elektromagnetiese verbygaande eienskappe van 500kV transmissielyn paal-torings onder weerligimpuls volgolf.

Buitelandse geleerdes het vroeër baie navorsing gedoen oor die weerligbeskerming van transmissielyne en die elektromagnetiese verbygaande eienskappe van paaltorings. In die 1970's, geleerdes soos Wagner het eers die reisgolfteorie van weerlig-oorspanning voorgestel, wat 'n teoretiese grondslag gelê het vir die studie van elektromagnetiese oorgange van pooltorings [5]. Met die ontwikkeling van rekenaartegnologie, eindige element-simulasiemetodes is wyd gebruik in die studie van elektromagnetiese oorgange van pooltorings. Byvoorbeeld, D'Alessandro et al. 'n tweedimensionele eindige-element-model van 'n transmissielynpaal-toring gevestig deur gebruik te maak van COMSOL Multiphysics-sagteware, het die elektromagnetiese verbygaande proses onder weerligimpuls gesimuleer, en die verspreidingswet van verbygaande spanning en stroom ontleed [6]. Petrache et al. het die invloed van weerligstroomparameters op die elektromagnetiese verbygaande reaksie van paaltorings deur simulasie en eksperimente bestudeer, en het 'n optimaliseringskema vir die weerligbeskermingsontwerp van paaltorings voorgestel [7]. Daarbenewens, buitelandse geleerdes het ook baie navorsing gedoen oor die aardingsprestasie van paaltorings onder weerligimpuls, en het die invloed van aardingsweerstand en aardingsroosterstruktuur op die verbygaande reaksie bestudeer [8-9].

Binnelandse navorsing oor die elektromagnetiese verbygaande eienskappe van 500kV transmissielyn paal-torings onder weerligimpuls het vinnig ontwikkel in onlangse jare. Baie universiteite en navorsingsinstellings het in-diepte navorsing op hierdie gebied gedoen. Byvoorbeeld, Wang et al. het 'n drie-dimensionele eindige element model van 'n 500kV hoek staal paal-toring gevestig deur gebruik te maak van ANSYS sagteware, het die weerligimpuls verbygaande proses gesimuleer, en die verspreiding van verbygaande elektromagnetiese veld rondom die paal-toring ontleed [10]. Li et al. 'n verkleinde skaal eksperimentele model van 'n paaltoring gebou, weerligimpuls volgolf toetse uitgevoer, en het die oorgangsspanning-reaksie-eienskappe van die paal-toring onder verskillende weerligstakingsposisies bestudeer [11]. Zhang et al.. het die invloed van aardingsweerstand op die elektromagnetiese verbygaande reaksie van 500kV paaltorings bestudeer deur simulasie en eksperiment, en het 'n metode voorgestel om die aardingsweerstand te verminder om die weerligbeskermingsprestasie te verbeter [12]. Maar, daar is nog 'n paar tekortkominge in die bestaande huishoudelike navorsing: (1) Die simulasiemodel is nie gedetailleerd genoeg nie, en die invloed van 'n paar fyn strukture van die paal-toring (soos die verbinding tussen hoekstaal en die isolatorstring) op die verbygaande reaksie word nie oorweeg nie; (2) Die sistematiek van die eksperimentele navorsing is nie sterk nie, en die verifikasie van die simulasiemodel is nie omvattend nie; (3) Die navorsing oor die elektromagnetiese verbygaande koppelingsmeganisme tussen die paal-toring en die geleier is nie in diepte genoeg nie.

Die hoofdoelwitte van hierdie vraestel is: (1) Om die teoretiese basis van die elektromagnetiese verbygaande eienskappe van 500kV transmissielyn paaltorings onder weerligimpuls volgolf uit te brei, insluitend die kenmerke van weerlig impuls volle golwe, die wet op die verspreiding van elektromagnetiese velde, en die verbygaande reaksiemeganisme; (2) Om 'n hoë-presisie driedimensionele eindige element model van 'n 500kV hoek staal paal-toring daar te stel, en simuleer die elektromagnetiese verbygaande proses onder weerligimpuls volgolf; (3) Om die verspreidingskenmerke van verbygaande spanning te ontleed, verbygaande stroom, en verbygaande elektromagnetiese veld van die paal-toring onder verskillende beïnvloedende faktore (weerligstaking posisie, weerstand grou); (4) Om 'n verkleinde skaal eksperimentele model van die paal-toring te bou, weerligimpuls volgolf toetse uit te voer, en die korrektheid van die simulasiemodel te verifieer; (5) Om optimaliseringsvoorstelle vir die weerligbeskermingsontwerp van 500kV-transmissielynpaaltorings voor te stel, gebaseer op die navorsingsresultate.

Die navorsingsomvang van hierdie referaat sluit in: (1) Die 500kV hoek staal paal-toring wat algemeen in ingenieurswese gebruik word; (2) Die weerligimpuls volgolf met parameters van 1.2/50μs (voortyd/halfspitstyd) wat in lyn is met die IEC-standaard; (3) Drie tipiese weerligstaking posisies: bokant die toring, kruis arm, en dirigent; (4) Vier tipiese aardingsweerstandwaardes: 5Nh, 10Nh, 15Nh, en 20Ω; (5) Die elektromagnetiese verbygaande eienskappe van die paal-toring, insluitend verbygaande spanning, verbygaande stroom, en verbygaande elektromagnetiese veldverspreiding.

Hierdie vraestel is in ses hoofstukke verdeel. Hoofstuk 1 is die inleiding, wat uitbrei oor die navorsingsagtergrond en betekenis, som die navorsingstatus by die huis en in die buiteland op, verduidelik die navorsingsdoelwitte en -omvang, en stel die struktuur van die proefskrif bekend. Hoofstuk 2 stel die teoretiese basis van elektromagnetiese oorgange onder weerligimpuls bekend, insluitend die kenmerke van weerlig impuls volle golwe, die basiese teorie van elektromagnetiese oorgange, en die verbygaande reaksiemeganisme van paal-toringstrukture. Hoofstuk 3 beskryf die vestiging van die eindige element simulasiemodel van die 500kV paal-toring, insluitend die modelvereenvoudiging, materiaal parameters, grensvoorwaardes, en laai van weerlig impuls volle golwe. Hoofstuk 4 ontleed die simulasieresultate van die elektromagnetiese verbygaande eienskappe van die paaltoring onder verskillende beïnvloedende faktore. Hoofstuk 5 stel die ontwerp en implementering van die verminderde skaal eksperimentele model bekend, en verifieer die simulasieresultate deur eksperimentele toetse. Hoofstuk 6 is die gevolgtrekking en vooruitsig, wat die belangrikste navorsingsresultate opsom, stel optimaliseringsvoorstelle voor vir die weerligbeskermingsontwerp van 500kV-paaltorings, en sien uit na die toekomstige navorsingsrigting.

Weerligimpuls is 'n soort verbygaande oorspanning met kort duur en hoë amplitude. Die weerligimpuls volgolf word gewoonlik deur twee parameters gedefinieer: voortyd (T1) en halfspitstyd (T2). Volgens die OVK 60060-1 standaard, die standaard weerligimpuls volgolf het 'n voortyd van 1,2μs (toleransie ±30%) en 'n halfpiektyd van 50μs (toleransie ±20%), wat aangeteken word as 1.2/50μs [13]. Die golfvorm van die standaard weerligimpuls volgolf word in Figuur getoon 1.

Die wiskundige uitdrukking van die standaard weerligimpuls volgolf kan beskryf word deur die dubbele eksponensiële funksie [14]:

waar: \( U_m \) is die piekwaarde van die weerligimpulsspanning; \( \tau_1 \) is die voortydkonstante, wat die steilheid van die golffront bepaal; \( \tau_2 \) is die sterttydkonstante, wat die duur van die golfstert bepaal; \( t \) is die tyd.

Die piekwaarde van die weerligimpulsspanning wat deur natuurlike weerlig gegenereer word, kan honderde kilovolt tot miljoene kilovolt bereik, en die piekwaarde van die weerligstroom kan tientalle kiloamperes tot honderde kiloampere bereik. Vir 500kV transmissielyne, die weerligimpulsspanningsvlak is gewoonlik 1425kV, wat bepaal word volgens die isolasie-koördineringsvereistes van die kragstelsel [15]. Wanneer 'n weerlig inslaan, die weerligimpuls volgolf sal deur die trefpunt in die paal-toring ingespuit word, en versprei dan langs die toringliggaam na die grond, komplekse elektromagnetiese verbygaande verskynsels te veroorsaak.

Benewens die standaard 1.2/50μs volgolf, daar is ook steil-voor weerlig impulse en langstert weerlig impulse in die natuur. Die steil-voor weerligimpuls het 'n korter voortyd (minder as 1μs) en 'n hoër golffrontsteilte, wat 'n groter impak op die isolasie van die paal-toring het. Die langstert-weerligimpuls het 'n langer halfpiektyd (meer as 50μs), wat kumulatiewe skade aan die toerusting kan veroorsaak. Maar, die standaard 1.2/50μs weerligimpuls volgolf is die mees verteenwoordigende, dus fokus hierdie vraestel op die elektromagnetiese verbygaande kenmerke van die paal-toring onder hierdie golfvorm.

Die elektromagnetiese verbygaande proses van die paal-toring onder weerligimpuls is 'n komplekse elektromagnetiese veldkoppelingsprobleem, wat die Maxwell se vergelykings volg [16]. Maxwell se vergelykings is die fundamentele vergelykings wat die elektromagnetiese veld beskryf, insluitend die Gauss se wet vir elektrisiteit, Gauss se wet vir magnetisme, Faraday se wet van elektromagnetiese induksie, en Ampère-Maxwell-reg. Die differensiaalvorm van Maxwell se vergelykings is soos volg:

waar: \( \vec{D} \) is die elektriese verplasingsvektor; \( \rho_v \) is die volume ladingdigtheid; \( \vec{B} \) is die magnetiese induksie intensiteit; \( \vec{E} \) is die elektriese veld intensiteit; \( \vec{H} \) is die magneetveldintensiteit; \( \vec{J} \) is die stroomdigtheid; \( t \) is die tyd.

In die elektromagnetiese verbygaande analise van die paal-toring, die paal-toringstruktuur word gewoonlik as 'n geleier beskou, en die omringende medium is lug. Die konstitutiewe verhoudings van die geleier en lug is soos volg:

waar: \( \varepsilon \) is die permittiwiteit; \( \in \) is die deurlaatbaarheid; \( \sigma \) is die geleidingsvermoë.

Wanneer die weerligimpuls volle golf in die paal-toring ingespuit word, 'n tydveranderende stroom sal in die toringliggaam opgewek word, wat 'n tydveranderende elektromagnetiese veld rondom die paaltoring sal opwek. Die tydsveranderende elektromagnetiese veld sal wervelstrome in die geleier van die paal-toring induseer, en daar sal elektromagnetiese koppeling tussen die toringliggaam wees, kruis arm, isolator tou, en dirigent. Die elektromagnetiese verbygaande reaksie van die paal-toring is die resultaat van die interaksie tussen die ingespuite weerligimpuls, die elektromagnetiese veld, en die paal-toring-struktuur.

Die paal-toringstruktuur is 'n komplekse ruimtelike vakwerkstruktuur wat bestaan ​​uit veelvuldige hoekstaal wat deur boute verbind is. Wanneer weerlig die paal-toring tref, die verbygaande reaksiemeganisme van die paaltoring sluit hoofsaaklik die volgende aspekte in:

(1) Spanning- en stroomverspreidingsmeganisme: Die weerligimpulsspanning wat vanaf die slagpunt ingespuit word, sal langs die toringliggaam versprei word. As gevolg van die verspreide kapasitansie en induktansie van die toringliggaam, die spanning en stroom sal 'n bewegende golf effek hê tydens die voortplantingsproses. Die golfimpedansie van die toringliggaam is 'n belangrike parameter wat die spanning en stroomverspreiding beïnvloed. Die golfimpedansie van die hoek staal paal-toring is gewoonlik tussen 100Ω en 300Ω, wat verband hou met die deursnee-area van die toringliggaam, die spasiëring tussen hoekstaal, en die hoogte van die toring [17].

(2) Elektromagnetiese veld koppelingsmeganisme: Die tydsveranderende stroom in die toringliggaam sal 'n tydveranderende elektromagnetiese veld rondom die paaltoring genereer. Die elektromagnetiese veld sal spanning en stroom in die aangrensende geleiers en metaalkomponente induseer, wat die elektromagnetiese induksie-effek is. Op dieselfde tyd, die elektromagnetiese veld sal ook in wisselwerking wees met die grondtoestel van die paal-toring, die aardingstroom en aardspanning beïnvloed [18].

(3) Isolasie reaksie meganisme: Die isolator tou tussen die paal-toring en die geleier is 'n belangrike isolasie komponent. Onder die werking van weerlig impuls oorspanning, die isolatorstring sal 'n hoë verbygaande spanning dra. As die verbygaande spanning die isolasiesterkte van die isolatorstring oorskry, isolasie oorslaan sal plaasvind, lei tot 'n kortsluiting tussen die geleier en die paal-toring [19].

(4) Aarding reaksie meganisme: Die aardingstoestel van die paaltoring word gebruik om die weerligstroom in die grond te lei en die aardspanning te verminder. Onder die aksie van weerlig impuls, die aardingsweerstand van die grondtoestel sal verbygaande eienskappe toon. As gevolg van die vel effek en die ionisasie van die grond, die verbygaande aardingsweerstand is gewoonlik kleiner as die bestendige aardingsweerstand, maar die veranderingswet is kompleks [20]. Die aardingsreaksie beïnvloed direk die verswakkingstempo van die weerligstroom en die verspreiding van die verbygaande spanning op die paaltoring.

Opsommend, die elektromagnetiese verbygaande reaksie van die paal-toring onder weerligimpuls is 'n omvattende resultaat van veelvuldige meganismes soos spanning en stroomverspreiding, elektromagnetiese veld koppeling, isolasie reaksie, en grondreaksie. Om die elektromagnetiese verbygaande eienskappe van die paaltoring akkuraat te ontleed, dit is nodig om hierdie meganismes volledig te oorweeg en 'n redelike wiskundige model en simulasiemodel daar te stel.

Die 500kV hoek staal paal-toring wat in hierdie vraestel bestudeer is, is 'n tipiese 猫头-tipe toring, met 'n totale hoogte van 45m, 'n basiswydte van 8m, en 'n dwarsarmlengte van 12m. Die toringliggaam is saamgestel uit Q355-hoekstaal, met verskillende deursneegroottes op verskillende hoogtes. Die kruisarm is ook saamgestel uit Q355-hoekstaal, en die isolatorstring is gemaak van glasveselversterkte plastiek. As gevolg van die komplekse struktuur van die paal-toring, dit is nodig om die model te vereenvoudig tydens die eindige element modelleringsproses om die berekeningsdoeltreffendheid te verbeter op die veronderstelling dat die berekeningsakkuraatheid verseker word..

Die belangrikste vereenvoudigingsmaatreëls is soos volg: (1) Ignoreer die boutverbindings tussen die hoekstaal, en aanvaar dat die verbindings rigied is; (2) Vereenvoudig die isolatorstring as 'n silindriese isolator met dieselfde ekwivalente deursnee en lengte; (3) Ignoreer die klein komponente soos die toringvoetplaat en die kabelklem, wat min impak op die elektromagnetiese verbygaande reaksie het; (4) Die aardingstoestel is vereenvoudig as 'n horisontale grondrooster met 'n lengte van 20m, 'n breedte van 20m, en 'n grafdiepte van 0,8m, en die aardgeleier is 'n ronde staal met 'n deursnee van 12mm.

Gebaseer op bogenoemde vereenvoudigingsmaatreëls, die driedimensionele geometriese model van die 500kV paal-toring word gevestig deur gebruik te maak van ANSYS DesignModeler sagteware. Die geometriese model sluit die toringliggaam in, kruis arm, isolator tou, dirigent, en aardingstoestel. Die geleier is 'n 500kV AC transmissie geleier met 'n deursnee van 25mm. Die model word in Figuur getoon 2.

Die belangrikste materiale wat by die paal-toring-model betrokke is, sluit Q355-staal in (toring liggaam, kruis arm, aardgeleier), glasveselversterkte plastiek (isolator tou), lug (omringende medium), en grond (grondmedium). Die materiaal parameters word in tabel getoon 1.

materiaal	Geleidingsvermoë σ (S/m)	Permittiwiteit ε (F/m)	Deurlaatbaarheid μ (H/m)	Digtheid ρ (kg/m³)
V355 staal	5.8×10⁶	8.85×10⁻¹²	4π×10⁻⁷	7850
Glasveselversterkte plastiek	1×10⁻¹²	3.54×10⁻¹¹	4π×10⁻⁷	1800
Lug	1×10⁻¹⁵	8.85×10⁻¹²	4π×10⁻⁷	1.29
Grond	0.01	1.77×10⁻¹⁰	4π×10⁻⁷	1800

Daar moet kennis geneem word dat die geleidingsvermoë van die grond deur faktore soos grondtipe beïnvloed word, voginhoud, en temperatuur. In hierdie dokument, die geleidingsvermoë van die grond word as geneem 0.01 S/m, wat die gemiddelde waarde is van die leemgrond wat algemeen in ingenieurswese gebruik word [21]. Die permittiwiteit van die glasveselversterkte plastiek is 4 keer dié van lug, wat bepaal word volgens die materiaalparameters wat deur die vervaardiger verskaf word.

Maasgenerering is 'n sleutelstap in eindige-element-simulasie, wat die berekeningsakkuraatheid en berekeningsdoeltreffendheid direk beïnvloed. Die maasgenerering van die paal-toring-model word uitgevoer met behulp van ANSYS Meshing-sagteware. Met inagneming van die komplekse struktuur van die paal-toring en die hoë vereiste van berekening akkuraatheid vir die elektromagnetiese veld naby die toring liggaam, die volgende maasgenereringstrategieë word aangeneem:

(1) Gebruik tetraëdriese gaas vir die toringliggaam, kruis arm, isolator tou, dirigent, en aardingstoestel, wat kan aanpas by die komplekse geometriese vorm; (2) Gebruik heksaedrale gaas vir die lug- en grondstreke, wat hoër berekeningsakkuraatheid en doeltreffendheid het; (3) Voer gaasverfyning uit vir die streke met groot elektromagnetiese veldgradiënt, soos die slaanpunt van weerlig, die verbinding tussen die toringliggaam en die dwarsarm, en die aardingsrooster; (4) Beheer die maksimum maasgrootte: die maksimum maasgrootte van die toringliggaam en dwarsarm is 0.5m, die maksimum maasgrootte van die isolatorstring en geleier is 0,2m, die maksimum maasgrootte van die grondrooster is 0.3m, en die maksimum maasgrootte van die lug- en grondstreke is 2m.

Na maasgenerering, die totale aantal maaselemente van die model is 1,256,800, en die totale aantal nodusse is 2,345,600. Die gaaskwaliteit word nagegaan, en die gemiddelde aspekverhouding is 1.8, wat aan die vereistes van eindige-elementberekening voldoen.

3.4.1 Grensvoorwaardes

Die randvoorwaardes van die simulasiemodel word soos volg gestel: (1) Die ver-veldgrens is vir die lugstreek gestel. Die ver-veldgrens is 'n nie-reflektiewe grens, wat die oneindige uitbreiding van die lug kan simuleer en die weerkaatsing van elektromagnetiese golwe by die grens kan vermy, die simulasieresultate beïnvloed; (2) Die grondgrens word vir die grondgebied gestel. Die grondgrens is gestel as 'n perfekte geleiergrens, aanvaar dat die grond oneindig diep is, en die elektromagnetiese golwe word heeltemal deur die grond geabsorbeer; (3) Die simmetriegrens is nie gestel nie, omdat die weerlig 'n asimmetriese las is, en die elektromagnetiese verbygaande reaksie van die paal-toring is ook asimmetries.

3.4.2 Laai instellings

Die weerligimpuls volgolf word as 'n spanningsbron by die trefpunt gelaai. Volgens die navorsingsomvang van hierdie artikel, drie tipiese weerligslagposisies word gekies: (1) Top van die toring: die spanningsbron word by die boonste nodus van die toringliggaam gelaai; (2) Kruis arm: die spanningsbron word by die eindknoop van die kruisarm gelaai; (3) dirigent: die spanningsbron word by die middelnodus van die geleier gelaai.

Die parameters van die weerligimpuls volgolf word volgens die IEC gestel 60060-1 standaard: voortyd 1.2μs, halfpiektyd 50μs, en piekspanning 1425kV (die weerligimpulsspanningsvlak van 500kV transmissielyne). Die spanningsgolfvorm word gegenereer deur die dubbele eksponensiële funksie in ANSYS Maxwell-sagteware te gebruik, en die tydstap word op 0.01μs gestel om te verseker dat die verbygaande proses akkuraat vasgelê word. Die simulasietyd is op 200μs gestel, wat die hele proses van die weerligimpuls volle golf van styging tot verval dek.

Daarbenewens, die aardingsweerstand word gesimuleer deur 'n weerstandsgrens by die grondrooster by te voeg. Vier verskillende aardingsweerstandwaardes (5Nh, 10Nh, 15Nh, en 20Ω) is ingestel om die invloed van aardingsweerstand op die elektromagnetiese verbygaande reaksie van die pooltoring te bestudeer.

Die simulasieberekening word uitgevoer met behulp van die verbygaande elektromagnetiese veldmodule van ANSYS Maxwell-sagteware. Die oplosser is ingestel op die tyddomein-oplosser, wat geskik is vir die simulering van die verbygaande elektromagnetiese veld met tyd-varierende eienskappe. Die berekeningsmetode is die eindige-elementmetode, wat die oplossingsdomein in 'n groot aantal eindige elemente diskretiseer, en los die Maxwell se vergelykings in elke element op om die verspreiding van die elektromagnetiese veld te verkry.

Tydens die berekeningsproses, die volgende parameters is ingestel: (1) Die aanvanklike toestand is nul, dit is, die aanvanklike elektriese veldintensiteit en magnetiese veldintensiteit in die oplossingsdomein is nul; (2) Die konvergensiekriterium is gestel op 1×10⁻⁶, wat die akkuraatheid van die berekening verseker; (3) Die hardewareversnelling is geaktiveer, gebruik die GPU om die berekening te versnel, wat die berekeningsdoeltreffendheid verbeter.

Na die simulasieberekening, die verbygaande spanning, verbygaande stroom, en verbygaande elektromagnetiese veldverspreiding van elke deel van die paaltoring op verskillende tye kan verkry word deur die naverwerkingsmodule van ANSYS Maxwell-sagteware.

Figuur 3 toon die verbygaande spanningsgolfvorm van verskillende dele van die paal-toring wanneer weerlig die bokant van die toring tref (grondweerstand is 10Ω). Dit kan gesien word uit Figuur 3 dat die verbygaande spanning van elke deel van die paaltoring vinnig toeneem met die opkoms van die weerligimpuls volgolf, bereik die piekwaarde op ongeveer 1.2μs, en verval dan geleidelik met die verval van die golfstert.

Die piekwaardes van die verbygaande spanning by verskillende dele is soos volg: die bokant van die toring is 1425kV (gelyk aan die piekwaarde van die gelaaide weerligimpulsspanning), die middel van die toringliggaam (22.5m Hoogte) is 785kV, die onderkant van die toringliggaam (0m Hoogte) is 125kV, die einde van die kruisarm is 650kV, en die isolatorstring is 580kV. Die verbygaande spanning neem geleidelik af vanaf die bokant van die toring na die onderkant van die toring, wat is omdat die toringliggaam 'n sekere golfimpedansie het, en die weerligimpulsspanning word verswak tydens die voortplantingsproses langs die toringliggaam.

Die verbygaande spanning op die isolatorstring is die spanning tussen die dwarsarm en die geleier. Wanneer weerlig die top van die toring tref, die kruisarm is op 'n hoë verbygaande spanning, terwyl die geleier nie direk deur weerlig getref word nie, dus is die verbygaande spanning op die isolatorstring die verskil tussen die verbygaande spanning van die dwarsarm en die geleier. Die piekwaarde van die verbygaande spanning op die isolatorstring is 580kV, wat minder is as die isolasiesterkte van die 500kV-isolatorstring (1425kV), dus vind geen isolasie-oorslaan plaas nie.

Figuur 4 toon die verbygaande stroomgolfvorm van verskillende dele van die paal-toring wanneer weerlig die bokant van die toring tref (grondweerstand is 10Ω). Die verbygaande stroom van elke deel van die paaltoring neem ook vinnig toe met die opkoms van die weerligimpuls volgolf, bereik die piekwaarde op ongeveer 1.5μs, en verval dan geleidelik.

Die piekwaardes van die verbygaande stroom by verskillende dele is soos volg: die top van die toring is 14.25kA, die middel van die toringliggaam is 12.8kA, die onderkant van die toringliggaam is 11.5kA, en die grondrooster is 11.5kA. Die verbygaande stroom neem effens af vanaf die bokant van die toring na die onderkant van die toring, wat is omdat 'n klein deel van die stroom na die grond gelek word deur die verspreide kapasitansie van die toringliggaam. Die verbygaande stroom van die aardrooster is gelyk aan die verbygaande stroom aan die onderkant van die toringliggaam, wat aandui dat al die stroom aan die onderkant van die toringliggaam deur die grondrooster in die grond ingespuit word.

Die golfvorm van die verbygaande stroom verskil effens van dié van die verbygaande spanning. Die piektyd van die verbygaande stroom is later as dié van die verbygaande spanning, wat is omdat die induktansie van die toringliggaam en die aardrooster veroorsaak dat die stroom agter die spanning bly.

Figuur 5 toon die verspreiding van die verbygaande elektromagnetiese veld rondom die pooltoring by t=1.2μs (spitstyd van die verbygaande spanning) wanneer weerlig die top van die toring tref (grondweerstand is 10Ω). Die intensiteit van die elektromagnetiese veld is die hoogste naby die bokant van die toring, met 'n piekwaarde van 5.8×10⁵ V/m (elektriese veld intensiteit) en 1,5×10³ A/m (magnetiese veld intensiteit).

Die verbygaande elektromagnetiese veld rondom die pooltoring verval eksponensieel met die toename van afstand. Wanneer die afstand vanaf die toringliggaam 5m is, die elektriese veldintensiteit is 1,2×10⁵ V/m, en die magneetveldintensiteit is 3.2×10² A/m; wanneer die afstand 10m is, die elektriese veldintensiteit is 2,8×10⁴ V/m, en die magneetveldintensiteit is 7.5×10¹ A/m; wanneer die afstand 20m is, die elektriese veldintensiteit is 6,8×10³ V/m, en die magneetveldintensiteit is 1.8×10¹ A/m. Hierdie verspreidingswet stem ooreen met die kenmerke van die naby-veld elektromagnetiese golf wat deur die verbygaande stroom gegenereer word.

Daarbenewens, die intensiteit van die elektromagnetiese veld het duidelike rigting. Die intensiteit van die elektromagnetiese veld in die rigting van die weerlig (vertikale rigting) is hoër as dit in die horisontale rigting, wat is omdat die verbygaande stroom in die toringliggaam hoofsaaklik vertikaal is, en die elektromagnetiese veld wat deur die vertikale stroom gegenereer word, is sterker in die vertikale rigting.

Figuur 6 toon die verbygaande spanningsgolfvorm van verskillende dele van die paaltoring wanneer weerlig die kruisarm tref (grondweerstand is 10Ω). In vergelyking met die weerlig aan die bokant van die toring, die verbygaande spanning van die kruisarm is die hoogste, met 'n piekwaarde van 1425kV. Die verbygaande spanning aan die bokant van die toring is 980kV, die middel van die toringliggaam is 560kV, die onderkant van die toringliggaam is 105kV, en die isolatorstring is 850kV.

Die verbygaande spanning op die isolatorstring is aansienlik hoër as wanneer weerlig die bokant van die toring tref. Dit is omdat wanneer weerlig die kruisarm tref, die kruisarm is direk op die piekspanning van die weerligimpuls, en die geleier is naby die kruisarm, dus is die spanningsverskil tussen die dwarsarm en die geleier groter. Die piekwaarde van die verbygaande spanning op die isolatorstring is 850kV, wat steeds minder is as die isolasiesterkte van die isolatorstring, dus vind geen isolasie-oorslaan plaas nie. Maar, as die weerligimpulsspanning hoër is of die isolasieprestasie van die isolatorstring verminder word, isolasie flits kan voorkom.

Figuur 7 toon die verbygaande stroomgolfvorm van verskillende dele van die paaltoring wanneer weerlig die kruisarm tref (grondweerstand is 10Ω). Die piekwaarde van die verbygaande stroom by die kruisarm is 14.25kA, die bokant van die toring is 4.8kA, die middel van die toringliggaam is 9.5kA, die onderkant van die toringliggaam is 11.2kA, en die aardingsrooster is 11.2kA.

In vergelyking met die weerlig aan die bokant van die toring, die verbygaande stroom aan die bokant van die toring is aansienlik kleiner, terwyl die verbygaande stroom in die middel van die toringliggaam effens kleiner is. Dit is omdat wanneer weerlig die kruisarm tref, die stroom word in twee dele verdeel: een deel vloei na die top van die toring, en die ander deel vloei na die onderkant van die toring. As gevolg van die hoër golfimpedansie van die bokant van die toring, die meeste van die stroom vloei na die onderkant van die toring en word deur die grondrooster in die grond ingespuit.

Figuur 8 toon die verspreiding van die verbygaande elektromagnetiese veld rondom die pooltoring by t=1.2μs wanneer weerlig die kruisarm tref (grondweerstand is 10Ω). Die elektromagnetiese veldintensiteit naby die kruisarm is die hoogste, met 'n piekwaarde van 6,2×10⁵ V/m (elektriese veld intensiteit) en 1,6×10³ A/m (magnetiese veld intensiteit), wat hoër is as dit wanneer weerlig die bopunt van die toring tref.

Die verbygaande elektromagnetiese veld rondom die pooltoring verval ook eksponensieel met die toename in afstand. Wanneer die afstand vanaf die kruisarm 5m is, die elektriese veldintensiteit is 1,3×10⁵ V/m, en die magneetveldintensiteit is 3.4×10² A/m; wanneer die afstand 10m is, die elektriese veldintensiteit is 3.0×10⁴ V/m, en die magneetveldintensiteit is 7.8×10¹ A/m. Die rigting van die elektromagnetiese veld is ook duidelik, en die elektromagnetiese veldintensiteit in die rigting loodreg op die kruisarm is hoër as dié in ander rigtings.

Figuur 9 toon die verbygaande spanningsgolfvorm van verskillende dele van die paaltoring wanneer weerlig die geleier tref (grondweerstand is 10Ω). Wanneer weerlig die geleier tref, die oorgangsspanning van die geleier is 1425kV, die isolatorstring is 1425kV (gelyk aan die spanning van die geleier), die kruisarm is 575kV, die bokant van die toring is 480kV, die middel van die toringliggaam is 320kV, en die onderkant van die toringliggaam is 85kV.

Die verbygaande spanning op die isolatorstring is die hoogste wanneer weerlig die geleier tref, wat gelyk is aan die piekwaarde van die weerligimpulsspanning. Dit is omdat die geleier direk deur weerlig getref word, en die isolatorstring dra die volle spanning van die weerligimpuls. Die piekwaarde van die verbygaande spanning op die isolatorstring is 1425kV, wat gelyk is aan die isolasiesterkte van die isolatorstring. Op hierdie tydstip, die isolatorstring is in die kritieke toestand van isolasie-oorslaan. As die weerligimpulsspanning effens hoër is, isolasie oorslaan sal plaasvind, lei tot 'n kortsluiting tussen die geleier en die dwarsarm.

Figuur 10 toon die verbygaande stroomgolfvorm van verskillende dele van die paaltoring wanneer weerlig die geleier tref (grondweerstand is 10Ω). Die piekwaarde van die verbygaande stroom by die geleier is 14.25kA, die isolatorstring is 14.25kA, die kruisarm is 12.5kA, die bokant van die toring is 3.2kA, die middel van die toringliggaam is 9.8kA, die onderkant van die toringliggaam is 11.0kA, en die aardingsrooster is 11.0kA.

Wanneer weerlig die geleier tref, die stroom word deur die isolatorstring na die dwarsarm oorgedra, dan in twee dele verdeel: een deel vloei na die top van die toring, en die ander deel vloei na die onderkant van die toring. Die stroom wat na die onderkant van die toring vloei, word deur die grondrooster in die grond ingespuit. Die verbygaande stroom by die dwarsarm is effens kleiner as dié by die geleier, wat is omdat 'n klein deel van die stroom na die lug gelek word deur die verspreide kapasitansie van die kruisarm.

Figuur 11 toon die verspreiding van die verbygaande elektromagnetiese veld rondom die pooltoring by t=1.2μs wanneer weerlig die geleier tref (grondweerstand is 10Ω). Die elektromagnetiese veldintensiteit naby die geleier en die isolatorstring is die hoogste, met 'n piekwaarde van 6,5×10⁵ V/m (elektriese veld intensiteit) en 1,7×10³ A/m (magnetiese veld intensiteit), wat hoër is as wanneer weerlig die bokant van die toring en die kruisarm tref.

Die verbygaande elektromagnetiese veld rondom die pooltoring verval eksponensieel met die toename van afstand. Wanneer die afstand vanaf die geleier 5m is, die elektriese veldintensiteit is 1,4×10⁵ V/m, en die magneetveldintensiteit is 3.6×10² A/m; wanneer die afstand 10m is, die elektriese veldintensiteit is 3,2×10⁴ V/m, en die magneetveldintensiteit is 8.2×10¹ A/m. Die elektromagnetiese veld in die rigting parallel met die geleier is hoër as dié in ander rigtings.

Om die invloed van aardingsweerstand op die elektromagnetiese verbygaande eienskappe van die paaltoring te bestudeer, vier verskillende aardingsweerstandwaardes (5Nh, 10Nh, 15Nh, en 20Ω) gekies word, en die weerligstaking posisie is vas aan die bokant van die toring. Die variasie van die piekwaarde van die verbygaande spanning en stroom by verskillende dele van die paal-toring met aardingsweerstand word in tabel getoon 2.

Agrondweerstand (Nh)	Piek verbygaande spanning aan die bokant van toring (kV)	Piek verbygaande spanning aan die onderkant van toring (kV)	Piek verbygaande stroom bo-op toring (die)	Piek verbygaande stroom by grondrooster (die)
5	1425	65	14.25	13.8
10	1425	125	14.25	11.5
15	1425	185	14.25	9.8
20	1425	245	14.25	8.5

Dit kan uit Tabel gesien word 2 dat die piekwaarde van die verbygaande spanning aan die bokant van die toring nie deur die aardweerstand beïnvloed word nie, wat altyd gelyk is aan die piekwaarde van die gelaaide weerligimpulsspanning. Maar, die piekwaarde van die verbygaande spanning aan die onderkant van die toring neem aansienlik toe met die toename van die aardweerstand. Wanneer die aardingsweerstand van 5Ω tot 20Ω toeneem, die piekwaarde van die verbygaande spanning aan die onderkant van die toring neem toe van 65kV tot 245kV, 'n toename van 277%.

Die piekwaarde van die verbygaande stroom aan die bokant van die toring word ook nie deur die aardweerstand beïnvloed nie, terwyl die piekwaarde van die verbygaande stroom by die aardrooster afneem met die toename van die aardweerstand. Wanneer die aardingsweerstand van 5Ω tot 20Ω toeneem, die piekwaarde van die verbygaande stroom by die aardrooster verminder van 13.8kA tot 8.5kA, 'n afname van 38.4%. Dit is omdat die toename van die aardingsweerstand die impedansie van die aardlus verhoog, verminder die stroom wat in die grond ingespuit word.

Die verhoging van die verbygaande spanning aan die onderkant van die toring en die afname van die verbygaande stroom by die aardnet sal die risiko van isolasie oorslaan van die paal-toring en die aangehegte toerusting verhoog. daarom, die vermindering van die aardingsweerstand is 'n effektiewe maatreël om die weerligbeskermingsprestasie van die paaltoring te verbeter.

Gebaseer op die bogenoemde simulasie-analise, die belangrikste gevolgtrekkings oor die elektromagnetiese verbygaande eienskappe van die 500kV paal-toring onder weerligimpuls volgolf is soos volg:

(1) Die weerligslagposisie het 'n beduidende impak op die elektromagnetiese verbygaande reaksie van die paaltoring. Wanneer weerlig die geleier tref, die verbygaande spanning op die isolatorstring is die hoogste, wat in die kritieke toestand is van isolasie oorslaan; wanneer weerlig die kruisarm tref, die elektromagnetiese veldintensiteit naby die kruisarm is die hoogste; wanneer weerlig die top van die toring tref, die verbygaande spanning en stroom aan die bokant van die toring is die hoogste.

(2) Die verbygaande spanning van die paal-toring neem geleidelik af vanaf die trefpunt na die onderkant van die toring, en die verbygaande stroom neem ook effens af. Die verbygaande elektromagnetiese veld rondom die pooltoring verval eksponensieel met die toename van afstand, en het duidelike rigting.

(3) Die aardingsweerstand het 'n beduidende impak op die elektromagnetiese verbygaande reaksie van die paal-toring. Met die verhoging van die aardingsweerstand, die verbygaande spanning aan die onderkant van die toring neem aansienlik toe, en die verbygaande stroom by die aardingsrooster verminder, wat die risiko van isolasie oorslaan verhoog.

(4) Die isolatorstring dra die hoogste verbygaande spanning wanneer weerlig die geleier tref, wat die gevaarlikste werkstoestand vir die isolatorstring is. daarom, in die weerligbeskermingsontwerp van die paaltoring, spesiale aandag moet gegee word aan die beskerming van die isolatorstring wanneer weerlig die geleier tref.

Om die korrektheid van die eindige element simulasiemodel te verifieer, 'n verkleinde skaal eksperimentele model van die 500kV paal-toring is gebou gebaseer op die ooreenkoms beginsel. Die ooreenkoms beginsel vereis dat die meetkundige parameters, materiaal parameters, en las parameters van die verminderde skaal model is soortgelyk aan dié van die prototipe [22]. Die skaalverhouding van die verkleinde skaalmodel tot die prototipe is ingestel op 1:20, wat bepaal word volgens die grootte van die laboratorium en die kapasiteit van die weerligimpulsgenerator.

Die meetkundige parameters van die verkleinde skaalmodel is soos volg: totale hoogte van die toringliggaam is 2,25m, basiswydte is 0,4m, kruisarmlengte is 0,6m. Die toringliggaam en dwarsarm is gemaak van Q235-hoekstaal met 'n deursneegrootte van 5mm×5mm×0.5mm. Die isolatorstring is gemaak van organiese glas met 'n deursnee van 2 mm en 'n lengte van 50 mm. Die geleier is 'n koperdraad met 'n deursnee van 1,25 mm. Die grondtoestel is 'n horisontale grondrooster met 'n lengte van 1m, 'n breedte van 1m, en 'n grafdiepte van 0,04m, en die aardgeleier is 'n koperdraad met 'n deursnee van 0,6 mm.

In terme van materiaalparameterpassing, volgens die ooreenkomsbeginsel, die relatiewe permittiwiteit, relatiewe deurlaatbaarheid en geleidingsvermoë van die materiaal moet in ooreenstemming bly met die prototipe om die ooreenkoms van elektromagnetiese eienskappe te verseker. Die Q235-staal wat in die verminderde skaalmodel gebruik word, het 'n geleidingsvermoë van 5.0×10⁶ S/m, wat naby die 5.8×10⁶ S/m van Q355-staal in die prototipe is, en die verskil is binne die aanvaarbare reeks eksperimentele foute. Die relatiewe permittiwiteit van organiese glas is 3.2, wat naby aan die 4.0 van glasveselversterkte plastiek in die prototipe, en kan voldoen aan die vereistes vir simulasie van isolasieprestasie. Die grond wat in die eksperiment gebruik is, is leem met 'n geleidingsvermoë van 0.01 S/m, wat dieselfde is as wat in die simulasiemodel gestel is.

Vir laai parameter passing, die weerligimpuls volgolf wat op die verminderde skaalmodel toegepas word, behoort die spanningsooreenkomsverhouding te bevredig. Volgens die meetkundige skaalverhouding van 1:20, die spanningskaalverhouding is ook 1:20. daarom, die piekwaarde van die weerligimpulsspanning wat op die verminderde skaalmodel toegepas word, is 1425kV / 20 = 71.25KV, en die golfvormparameters is steeds 1.2/50μs, wat ooreenstem met die standaardvereistes.

Die eksperimentele stelsel bestaan ​​hoofsaaklik uit 'n weerligimpulsgenerator, 'n verkleinde skaal paal-toring model, 'n meetstelsel, en 'n grondstelsel, soos getoon in Figuur 12. Die weerligimpulsgenerator is 'n GS-100kV tipe, wat standaard 1.2/50μs weerligimpuls vol golwe kan genereer met 'n piekspanning verstelbaar vanaf 0 tot 100kV, voldoen aan die eksperimentele lasvereistes.

Die meetstelsel sluit 'n hoëspanningverdeler in, 'n stroomsensor, 'n elektromagnetiese veldsensor, en 'n data-verkrygingstelsel. Die hoogspanningsverdeler is 'n kapasitiewe spanningsverdeler met 'n spanningsverdelingsverhouding van 1000:1, wat gebruik word om die verbygaande spanning van elke deel van die paal-toring te meet. Die stroomsensor is 'n Rogowski-spoel met 'n meetbereik van 0-20kA en 'n bandwydte van 10Hz-10MHz, wat gebruik word om die verbygaande stroom van die toringliggaam en aardrooster te meet. Die elektromagnetiese veldsensor is 'n breëband elektromagnetiese veldsonde met 'n meetbereik van 1V/m-10⁶ V/m (elektriese veld) en 0.1A/m-10³ A/m (magnetiese veld), wat gebruik word om die verbygaande elektromagnetiese veld rondom die paal-toring te meet. Die data-verkrygingstelsel gebruik 'n digitale ossilloskoop met 'n steekproeftempo van 1GS/s en 'n stoordiepte van 10M, wat die verbygaande golfvorm van die gemete sein akkuraat kan vasvang.

Die aardingstelsel van die eksperimentele stelsel is onafhanklik van die laboratoriumgrondstelsel om wedersydse inmenging te vermy. Die aardingsweerstand van die eksperimentele grondstelsel is verstelbaar, en vier weerstandswaardes van 0.25Ω, 0.5Nh, 0.75Nh, en 1Ω word volgens die ooreenkomsverhouding gestel (ooreenstem met die 5Ω, 10Nh, 15Nh, en 20Ω in die simulasiemodel). Die aardingsrooster van die eksperimentele stelsel is gekoppel aan die grondtoestel van die verminderde skaalmodel om te verseker dat die weerligstroom glad in die grond ingespuit kan word.

Die eksperimentele stappe word in ooreenstemming met die OVK uitgevoer 60060-1 standaard en die relevante vereistes van kragstelsel weerligbeskermingstoetse, en word in die volgende fases verdeel:

(1) Voor-eksperiment voorbereiding: Gaan die integriteit van die verminderde skaalmodel na, verseker dat die verbindings tussen die toring liggaam, kruis arm, isolator tou, en dirigent is betroubaar, en bevestig dat die grondtoestel in goeie kontak met die grond is. Kalibreer die meetstelsel, insluitend die hoogspanningsverdeler, huidige sensor, en elektromagnetiese veld sensor, om die akkuraatheid van die metingsdata te verseker. Verstel die weerligimpulsgenerator om 'n standaard 1.2/50μs volgolf met 'n piekspanning van 71.25kV te genereer.

(2) Eksperimentele laai en data-insameling: Voer eksperimente uit onder drie weerligstakingposisies (bokant die toring, kruis arm, dirigent) en vier aardingsweerstandwaardes onderskeidelik. Vir elke werkstoestand, skakel die weerligimpulsgenerator aan om die weerligimpuls volgolf in die slagpunt in te spuit, en gebruik die data-verkrygingstelsel om die verbygaande spanning te versamel, verbygaande stroom, en verbygaande elektromagnetiese veldseine van elke deel van die paaltoring. Elke werkstoestand word herhaal 5 keer om die ewekansige fout van die eksperiment te verminder, en die gemiddelde waarde van die 5 stelle data word as die finale eksperimentele resultaat geneem.

(3) Na-eksperiment afwerking: Skakel die eksperimentele toerusting in volgorde af, sorteer die versamelde eksperimentele data uit, en elimineer ongeldige data met ooglopende foute. Maak die eksperimentele terrein skoon en hou die eksperimentele toerusting in 'n goeie toestand.

Neem die werkstoestand van weerligstaking aan die bokant van die toring en grondweerstand van 0.5Ω (wat ooreenstem met 10Ω in die simulasie) as voorbeeld, die eksperimentele resultate en simulasieresultate word vergelyk en ontleed. Figuur 13 toon die vergelyking van die verbygaande spanningsgolfvorm in die middel van die toringliggaam tussen die eksperiment en die simulasie. Dit kan uit die figuur gesien word dat die eksperimentele golfvorm en die simulasiegolfvorm dieselfde variasietendens het: beide styg vinnig tot die piekwaarde by ongeveer 1.2μs, en dan geleidelik verval. Die piekwaarde van die verbygaande spanning wat deur die eksperiment verkry word, is 39.3kV, en die piekwaarde wat deur die simulasie verkry word, is 41.2kV. Die relatiewe fout is 4.6%, wat minder is as 8%.

Figuur 14 toon die vergelyking van die verbygaande stroomgolfvorm by die grondrooster tussen die eksperiment en die simulasie. Die eksperimentele golfvorm en die simulasiegolfvorm het ook goeie konsekwentheid. Die piektyd van die eksperimentele stroom is ongeveer 1.5μs, en die piektyd van die simulasiestroom is ook ongeveer 1.5μs. Die piekwaarde van die eksperimentele stroom is 0.57kA, en die piekwaarde van die simulasiestroom is 0.59kA. Die relatiewe fout is 3.4%, wat binne die aanvaarbare omvang is.

Figuur 15 toon die vergelyking van die elektriese veldintensiteit op 5m van die toringliggaam tussen die eksperiment en die simulasie. Die eksperimentele elektriese veld intensiteitspiek is 6.1×10³ V/m, en die simulasie elektriese veld intensiteitspiek is 6.4×10³ V/m. Die relatiewe fout is 4.7%, wat ook minder is as 8%. Die magneetveldintensiteit op dieselfde posisie het ook goeie konsekwentheid, met 'n relatiewe fout van 5.2%.

tafel 3 toon die vergelyking van die piekwaardes van verbygaande spanning, verbygaande stroom, en elektriese veldintensiteit onder verskillende werksomstandighede. Dit kan uit die tabel gesien word dat die relatiewe foute tussen die eksperimentele resultate en die simulasieresultate onder alle werksomstandighede minder is as 8%, wat aandui dat die eindige-element-simulasiemodel wat in hierdie vraestel gevestig is, hoë akkuraatheid en betroubaarheid het, en kan die elektromagnetiese verbygaande proses van die 500kV-paaltoring onder weerligimpuls volgolf akkuraat simuleer.

Werkende Toestand	Parameter Tipe	Eksperimentele waarde	Simulasiewaarde	Relatiewe fout (%)
Weerlig inslaan top, R=0.5Ω	Toring middel spanning (kV)	39.3	41.2	4.6
Weerlig inslaan top, R=0.5Ω	Aarding rooster stroom (die)	0.57	0.59	3.4
Weerlig slaan kruisarm, R=0.5Ω	Kruisarmspanning (kV)	71.3	74.5	4.3
Weerligstraal-afleier, R=0.5Ω	Isolator string spanning (kV)	71.2	76.8	7.7
Weerlig inslaan top, R=1Ω	5m elektriese veld (×10³ V/m)	3.2	3.4	5.9

Die hoofredes vir die klein fout tussen die eksperimentele resultate en die simulasieresultate is: (1) Die vereenvoudiging van die simulasiemodel, soos om die boutverbindings en klein komponente te ignoreer, lei tot geringe verskille tussen die simulasiemodel en die werklike struktuur; (2) Die omgewingsfaktore in die eksperiment, soos lugvogtigheid en temperatuur, 'n klein impak op die elektromagnetiese veldverspreiding hê; (3) Die meetfout van die eksperimentele toerusting self. Maar, hierdie foute is binne die aanvaarbare omvang van ingenieurs- en akademiese navorsing, wat die rasionaliteit en korrektheid van die simulasiemodel ten volle verifieer.

In hierdie dokument, 'n Omvattende studie oor die elektromagnetiese verbygaande eienskappe van 500kV transmissielyn paal-torings onder weerligimpuls volgolf word uitgevoer deur teoretiese analise te kombineer, eindige element simulasie, en eksperimentele verifikasie. Die belangrikste navorsingsgevolgtrekkings is soos volg:

(1) Die teoretiese stelsel van elektromagnetiese verbygaande kenmerke van 500kV-paaltorings onder weerligimpuls word gebou. Die standaard weerligimpuls volgolf (1.2/50μs) volg die dubbele eksponensiële funksieverdeling, en die elektromagnetiese verbygaande proses van die pooltoring word beheer deur Maxwell se vergelykings. Die verbygaande reaksie van die paal-toring is die resultaat van die omvattende werking van spanning en stroomverspreiding, elektromagnetiese veld koppeling, isolasie reaksie, en begrondingsreaksiemeganismes.

(2) 'n Hoë-presisie drie-dimensionele eindige element simulasie model van 500kV hoek staal paal-toring is gevestig. Die model neem die geometriese eienskappe van die toringliggaam in ag, kruis arm, isolator tou, en aardingstoestel, en stel die materiaalparameters en randvoorwaardes akkuraat in. Die simulasieresultate toon dat die model die elektromagnetiese verbygaande proses van die paaltoring effektief kan vasvang onder weerligimpuls.

(3) Die weerligslagposisie en aardingsweerstand is die sleutelfaktore wat die elektromagnetiese verbygaande reaksie van die paaltoring beïnvloed. Wanneer weerlig die geleier tref, die isolatorstring dra die hoogste verbygaande spanning (1425kV), wat in die kritieke oorflitstoestand is; wanneer weerlig die kruisarm tref, die elektromagnetiese veldintensiteit naby die kruisarm is die hoogste (6.2×10⁵ V/m); wanneer weerlig die top van die toring tref, die verbygaande spanning en stroom aan die bokant van die toring is die hoogste. Met die toename van aardingsweerstand van 5Ω tot 20Ω, die verbygaande spanning aan die onderkant van die toring verhoog met 277%, en die verbygaande stroom by die aardingsrooster verminder met 38.4%, wat die risiko van isolasie oorslaan aansienlik verhoog.

(4) Die verbygaande elektromagnetiese veld rondom die pooltoring het duidelike ruimtelike verspreidingskenmerke. Dit verval eksponensieel met die toename in afstand vanaf die toringliggaam, en het aansienlike rigting. Die elektromagnetiese veldintensiteit in die rigting van die weerlig is die hoogste op dieselfde afstand.

(5) Die eksperimentele verifikasie resultate toon dat die relatiewe fout tussen die eksperimentele resultate en die simulasie resultate minder is as 8%, wat die betroubaarheid en akkuraatheid van die simulasiemodel bevestig. Die navorsingsresultate verskaf 'n betroubare teoretiese en tegniese basis vir die weerligbeskermingsontwerp van 500kV transmissielyn paal-torings.

Gebaseer op die navorsingsresultate, die volgende optimaliseringsvoorstelle word voorgehou vir die weerligbeskermingsontwerp van 500kV transmissielyn paal-torings:

(1) Versterk die beskerming van isolator snare onder geleier weerlig omstandighede. Dit word aanbeveel om metaaloksiedstoppers op die isolatorstringe van 500kV transmissielyn paal-torings te installeer, veral in weerlig-gevoelige gebiede. Die afleider kan die verbygaande oorspanning op die isolatorstring beperk, vermy isolasie oorslaan, en beskerm die isolatorstring en geleier.

(2) Verminder die aardingsweerstand van die paaltoring. Neem maatreëls soos om die grondrooster uit te brei, lê horisontale en vertikale aardelektrodes, en die gebruik van grondweerstand reduseermiddels om die grondweerstand van die paal-toring tot minder as 5Ω te verminder. Dit kan die verbygaande spanning aan die onderkant van die toring effektief verminder, verhoog die verbygaande stroom wat in die grond ingespuit word, en verbeter die weerligbeskermingsprestasie van die paal-toring.

(3) Optimaliseer die struktuur van die paal-toring. Vir die kruisarm en toring top dele wat geneig is tot hoë elektromagnetiese veld intensiteit, vergroot die deursnee-area van die hoekstaal gepas of gebruik staalpype met beter geleidingsvermoë om die golfimpedansie van die toringliggaam te verminder, waardeur die verbygaande spanning en stroomverspreiding verminder word. Op dieselfde tyd, ontwerp die spasiëring tussen die dwarsarm en die geleier redelik om die isolasieafstand te vergroot.

(4) Versterk die weerligbeskermingsmonitering van transmissielyne. Installeer weerligmoniteringstoestelle op sleutel 500kV transmissielyn paal-torings om intydse weerlig-inval parameters te monitor (soos weerligstroompiek, golfvorm, stakingsposisie) en die verbygaande reaksie van die paal-toring. Dit kan data-ondersteuning bied vir die optimalisering van weerligbeskermingsontwerp en die instandhouding van transmissielyne.

Alhoewel hierdie referaat in-diepte navorsing gedoen het oor die elektromagnetiese verbygaande eienskappe van 500kV paal-torings onder weerligimpuls volgolf, daar is nog enkele aspekte wat in die toekoms verder bestudeer moet word:

(1) Navorsing oor elektromagnetiese verbygaande eienskappe onder nie-standaard weerligimpulsgolfvorms. Natuurlike weerlig sluit steil-front in, langstert, en meervoudige weerligimpulse. Toekomstige navorsing moet fokus op die elektromagnetiese verbygaande reaksie van pooltorings onder hierdie nie-standaard golfvorme, en omvattend die weerligbeskermingsprestasie van paaltorings te evalueer.

(2) Navorsing oor die invloed van komplekse omgewingsfaktore. Die huidige navorsing neem nie die invloed van omgewingsfaktore soos reën in ag nie, sneeu, en wind op die elektromagnetiese verbygaande eienskappe van die paal-toring. Toekomstige navorsing moet 'n simulasiemodel daarstel wat komplekse omgewingsfaktore in ag neem, en die invloed van hierdie faktore op die verbygaande reaksie van die paaltoring te analiseer.

(3) Navorsing oor die elektromagnetiese verbygaande koppeling tussen paal-torings en aangrensende toerusting. Die 500kV transmissielyn paal-toring is aangrensend aan toerusting soos kommunikasietorings en kragverspreidingskaste. Die elektromagnetiese verbygaande veld wat gegenereer word deur weerligstrale kan koppeleffekte op hierdie aangrensende toerusting hê. Toekomstige navorsing behoort die elektromagnetiese interferensie tussen paaltorings en aangrensende toerusting te bestudeer, en stel ooreenstemmende anti-inmenging maatreëls voor.

(4) Ontwikkeling van intelligente weerligbeskermingstegnologie vir paaltorings. Kombineer opkomende tegnologieë soos kunsmatige intelligensie en groot data om 'n intelligente weerligbeskermingstelsel vir 500kV transmissielynpaaltorings te vestig. Die stelsel kan weerligslae voorspel, pas weerligbeskermingsmaatreëls intyds aan, en verbeter die aktiewe weerligbeskermingsvermoë van die kragstelsel.