نبذة مختصرة: كمكون أساسي لخطوط نقل الجهد العالي 500 كيلو فولت, تتحمل أبراج القطب الوظائف المزدوجة المتمثلة في دعم الموصلات والتأريض. تعتبر الصواعق أحد التهديدات الرئيسية للتشغيل الآمن والمستقر لخطوط النقل, وتؤثر الاستجابة الكهرومغناطيسية العابرة لأبراج الأعمدة تحت موجات الصواعق الكاملة بشكل مباشر على تنسيق العزل وتصميم الحماية من الصواعق لنظام الطاقة بأكمله. تم التحقيق في سلوك صواري الصلب الشبكية في الأدب, تم إجراء دراسة شاملة على الخصائص الكهرومغناطيسية العابرة لأبراج أعمدة خطوط النقل جهد 500 كيلو فولت تحت موجة نبضية كاملة من خلال الجمع بين التحليل النظري, محاكاة العناصر المحدودة, والاختبار التجريبي. أولا, تم توضيح الأساس النظري للعابرين الكهرومغناطيسيين تحت نبض البرق, بما في ذلك خصائص موجات البرق الكاملة, قانون توزيع المجال الكهرومغناطيسي, وآلية الاستجابة العابرة لهياكل برج القطب. ثم, نموذج ثلاثي الأبعاد للعناصر المحدودة بزاوية 500 كيلو فولت عامود حديد-تم إنشاء البرج باستخدام برنامج ANSYS Maxwell, وموجة البرق الكاملة (1.2/50ميكروس) يتم تطبيقه لمحاكاة العملية الكهرومغناطيسية العابرة لبرج القطب. خصائص توزيع الجهد العابر, تيار عابر, والمجال الكهرومغناطيسي العابر لبرج القطب تحت مواضع مختلفة لضربة البرق (أعلى البرج, عبر الذراع, وموصل) ويتم تحليل قيم مقاومة التأريض المختلفة. في أثناء, تم بناء نموذج تجريبي مصغر لبرج القطب على أساس مبدأ التشابه, ويتم إجراء اختبارات الموجة الكاملة لنبضات البرق للتحقق من صحة نتائج المحاكاة. النتائج تظهر ذلك: (1) موقع ضربة البرق له تأثير كبير على الاستجابة الكهرومغناطيسية العابرة لبرج القطب. يكون الجهد والتيار العابر عند قمة البرج أكبر عندما يضرب البرق قمة البرج, وتكون شدة المجال الكهرومغناطيسي بالقرب من الذراع المتقاطعة هي الأعلى عندما يضرب البرق الذراع المتقاطعة. (2) مع زيادة مقاومة التأريض, يزداد الجهد العابر عند كل جزء من برج القطب بشكل ملحوظ, وينخفض ​​معدل التوهين للتيار العابر, مما يزيد من خطر وميض العزل. (3) يتضاءل المجال الكهرومغناطيسي العابر حول برج القطب بشكل كبير مع زيادة المسافة, وتكون شدة المجال الكهرومغناطيسي عند نفس المسافة هي الأكبر في اتجاه ضربة البرق. (4) نتائج المحاكاة تتفق بشكل جيد مع النتائج التجريبية, مع خطأ أقل من 8%, الذي يتحقق من موثوقية نموذج العناصر المحدودة المحدد. توفر هذه الدراسة الأساس النظري والدعم الفني لتحسين تصميم الحماية من الصواعق, تنسيق العزل, والتشغيل الآمن لأبراج أعمدة خطوط النقل بقدرة 500 كيلو فولت.

الكلمات الدالة: 500خط نقل كيلو فولت; برج القطب; دفعة البرق موجة كاملة; عابرة الكهرومغناطيسية; محاكاة العناصر المحدودة; التحقق التجريبي

مع التطور السريع لصناعة الطاقة, 500أصبحت خطوط نقل الجهد العالي كيلوفولت جزءًا مهمًا من شبكة الكهرباء الوطنية, القيام بالمهمة المهمة المتمثلة في نقل الطاقة لمسافات طويلة وذات سعة كبيرة. يرتبط التشغيل الآمن والمستقر لخطوط النقل بقدرة 500 كيلو فولت ارتباطًا مباشرًا بموثوقية نظام الطاقة بأكمله والتشغيل العادي للإنتاج والحياة الاجتماعية. ومع ذلك, تعتبر ضربات البرق من أهم الكوارث الطبيعية التي تهدد التشغيل الآمن لخطوط النقل. وفقا للإحصاءات, تمثل الأعطال الناجمة عن البرق أكثر من 40% من إجمالي أعطال خطوط نقل الجهد العالي, وفي بعض المناطق المعرضة للصواعق, ويمكن أن تصل هذه النسبة إلى أكثر من 60% [1]. عندما تحدث ضربة صاعقة على خط النقل أو برج القطب, سيتم إنشاء موجة كاملة من دفعة البرق القوية, والتي سوف تحفز الظواهر الكهرومغناطيسية العابرة المعقدة في هيكل برج القطب. ستتسبب هذه الظواهر العابرة في زيادة الجهد والتيار الزائد في برج القطب والمعدات الملحقة به, مما قد يؤدي إلى وميض العزل, تلف المعدات, وحتى انقطاع التيار الكهربائي, مما أدى إلى خسائر اقتصادية وآثار اجتماعية فادحة [2-3].

باعتباره العنصر الداعم والتأريض الرئيسي لخط النقل, تعد الاستجابة الكهرومغناطيسية العابرة لبرج القطب تحت موجة البرق الكاملة هي المشكلة الأساسية لتصميم الحماية من الصواعق لخط النقل. عادة ما يكون برج القطب مصنوعًا من الفولاذ الزاوي, أنابيب الصلب, أو ملموسة, وبنيتها معقدة, تنطوي على مكونات متعددة مثل جسم البرج, عبر الذراع, سلسلة عازل, وجهاز التأريض. عندما يضرب البرق, تتأثر العملية الكهرومغناطيسية العابرة لبرج القطب بعدة عوامل, مثل موقف ضربة البرق, البرق المعلمات الحالية, مقاومة التأريض, وهيكل برج القطب [4]. وبالتالي, دراسة متعمقة للخصائص الكهرومغناطيسية العابرة لأبراج القطب 500 كيلو فولت تحت موجة البرق الكاملة, إتقان قانون توزيع الجهد العابر, تيار, والمجال الكهرومغناطيسي, وتوضيح تأثير العوامل المختلفة على الاستجابة العابرة لهما أهمية كبيرة لتحسين تصميم الحماية من الصواعق لأبراج الأعمدة, تحسين مستوى تنسيق العزل لنظام الطاقة, وضمان التشغيل الآمن والمستقر لخطوط نقل 500 كيلو فولت.

فى السنوات الاخيرة, مع التحسين المستمر لتكنولوجيا محاكاة الكمبيوتر وتكنولوجيا الاختبار التجريبي, لقد حقق البحث في الخصائص الكهرومغناطيسية العابرة لمعدات الطاقة تحت نبض البرق تقدمًا كبيرًا. ومع ذلك, بسبب البنية المعقدة لأبراج القطب 500 كيلو فولت والعشوائية القوية لضربات البرق, لا تزال هناك العديد من المشاكل التي يتعين حلها في البحث حول الخصائص الكهرومغناطيسية العابرة لأبراج القطب: (1) تركز الأبحاث الحالية في الغالب على أداء الحماية من الصواعق لخط النقل بأكمله, والبحث عن الاستجابة الكهرومغناطيسية العابرة لبرج القطب نفسه ليس متعمقًا بدرجة كافية; (2) لم تتم دراسة تأثير مواضع الصواعق المختلفة وقيم مقاومة التأريض على الخصائص الكهرومغناطيسية العابرة لبرج القطب بشكل منهجي; (3) يجب التحقق من دقة نموذج المحاكاة من خلال بيانات تجريبية أكثر موثوقية. وبالتالي, من الضروري إجراء دراسة شاملة ومتعمقة حول الخصائص الكهرومغناطيسية العابرة لأبراج أعمدة خطوط النقل جهد 500 كيلو فولت تحت موجة البرق الكاملة.

أجرى الباحثون الأجانب الكثير من الأبحاث حول الحماية من الصواعق لخطوط النقل والخصائص الكهرومغناطيسية العابرة لأبراج القطب في وقت سابق. في السبعينيات, اقترح علماء مثل فاغنر لأول مرة نظرية الموجة المتنقلة للجهد الزائد للبرق, والذي وضع الأساس النظري لدراسة العابرين الكهرومغناطيسيين لأبراج القطب [5]. مع تطور تكنولوجيا الكمبيوتر, تم استخدام طرق محاكاة العناصر المحدودة على نطاق واسع في دراسة العبور الكهرومغناطيسي لأبراج القطب. فمثلا, داليساندرو وآخرون. أنشأ نموذجًا ثنائي الأبعاد للعناصر المحدودة لبرج عمود خط النقل باستخدام برنامج COMSOL Multiphysics, محاكاة العملية الكهرومغناطيسية العابرة تحت نبض البرق, وتحليل قانون توزيع الجهد والتيار العابر [6]. بتراش وآخرون. دراسة تأثير متغيرات تيار البرق على الاستجابة الكهرومغناطيسية العابرة لأبراج القطب من خلال المحاكاة والتجربة, واقترح مخططًا لتحسين تصميم الحماية من الصواعق لأبراج الأعمدة [7]. بالإضافة الى, أجرى الباحثون الأجانب أيضًا الكثير من الأبحاث حول أداء التأريض لأبراج القطب تحت نبضات البرق, ودرس تأثير مقاومة التأريض وبنية شبكة التأريض على الاستجابة العابرة [8-9].

تطورت الأبحاث المحلية حول الخصائص الكهرومغناطيسية العابرة لأبراج أعمدة خطوط النقل بقدرة 500 كيلو فولت تحت نبضات البرق بسرعة في السنوات الأخيرة. وقد أجرت العديد من الجامعات والمؤسسات البحثية أبحاثًا متعمقة في هذا المجال. فمثلا, وانغ وآخرون. إنشاء نموذج ثلاثي الأبعاد للعناصر المحدودة لبرج قطب فولاذي بزاوية 500 كيلو فولت باستخدام برنامج ANSYS, محاكاة عملية عابرة دفعة البرق, وتحليل توزيع المجال الكهرومغناطيسي العابر حول برج القطب [10]. Li et al. قام ببناء نموذج تجريبي مصغر لبرج قطبي, أجريت اختبارات الموجة الكاملة لنبضة البرق, ودرست خصائص استجابة الجهد العابر لبرج القطب تحت مواضع مختلفة لضربة البرق [11]. تشانغ وآخرون.. دراسة تأثير مقاومة التأريض على الاستجابة الكهرومغناطيسية العابرة لأبراج القطب 500 كيلو فولت من خلال المحاكاة والتجربة, واقترح طريقة لتقليل مقاومة التأريض لتحسين أداء الحماية من الصواعق [12]. ومع ذلك, لا تزال هناك بعض أوجه القصور في البحوث المحلية القائمة: (1) نموذج المحاكاة ليس مفصلاً بما فيه الكفاية, وتأثير بعض الهياكل الدقيقة لبرج القطب (مثل الاتصال بين زاوية الفولاذ وسلسلة العازل) على الاستجابة العابرة لا يعتبر; (2) إن منهجية البحث التجريبي ليست قوية, والتحقق من نموذج المحاكاة ليس شاملاً; (3) إن البحث حول آلية الاقتران الكهرومغناطيسي العابر بين برج القطب والموصل ليس متعمقًا بدرجة كافية.

الأهداف الرئيسية لهذه الورقة هي: (1) وضع الأساس النظري للخصائص الكهرومغناطيسية العابرة لأبراج أعمدة خطوط النقل بقدرة 500 كيلو فولت تحت موجة نبضات البرق الكاملة, بما في ذلك خصائص موجات البرق الكاملة, قانون توزيع المجال الكهرومغناطيسي, وآلية الاستجابة العابرة; (2) إنشاء نموذج عناصر محدودة ثلاثي الأبعاد عالي الدقة لبرج عمود فولاذي بزاوية 500 كيلو فولت, ومحاكاة العملية الكهرومغناطيسية العابرة تحت موجة البرق الكاملة; (3) لتحليل خصائص توزيع الجهد العابر, تيار عابر, والمجال الكهرومغناطيسي العابر لبرج القطب تحت عوامل مؤثرة مختلفة (موقف ضربة البرق, مقاومة التأريض); (4) بناء نموذج تجريبي مصغر لبرج القطب, إجراء اختبارات الموجة الكاملة لنبضة البرق, والتحقق من صحة نموذج المحاكاة; (5) تقديم اقتراحات التحسين لتصميم الحماية من الصواعق لأبراج أعمدة خطوط النقل بقدرة 500 كيلو فولت بناءً على نتائج البحث.

يشمل نطاق البحث في هذه الورقة: (1) برج القطب الفولاذي بزاوية 500 كيلو فولت شائع الاستخدام في الهندسة; (2) موجة البرق الكاملة ذات المعلمات 1.2 / 50μs (الوقت الأمامي / نصف وقت الذروة) وهو ما يتماشى مع معيار IEC; (3) ثلاثة مواقع ضرب البرق النموذجية: أعلى البرج, عبر الذراع, وموصل; (4) أربع قيم مقاومة التأريض النموذجية: 5أوه, 10أوه, 15أوه, و 20Ω; (5) الخصائص الكهرومغناطيسية العابرة لبرج القطب, بما في ذلك الجهد العابر, تيار عابر, وتوزيع المجال الكهرومغناطيسي العابر.

وتنقسم هذه الورقة إلى ستة فصول. الفصل 1 هي المقدمة, الذي يوضح خلفية البحث وأهميته, يلخص حالة البحث في الداخل والخارج, يوضح أهداف البحث ونطاقه, ويقدم هيكل الأطروحة. الفصل 2 يقدم الأساس النظري للعابرين الكهرومغناطيسيين تحت دفعة البرق, بما في ذلك خصائص موجات البرق الكاملة, النظرية الأساسية للعابرين الكهرومغناطيسية, وآلية الاستجابة العابرة لهياكل برج القطب. الفصل 3 يصف إنشاء نموذج محاكاة العناصر المحدودة لبرج القطب 500 كيلو فولت, بما في ذلك تبسيط النموذج, المعلمات المادية, شروط الحدود, وتحميل موجات البرق الكاملة. الفصل 4 يحلل نتائج محاكاة الخصائص الكهرومغناطيسية العابرة لبرج القطب تحت عوامل مؤثرة مختلفة. الفصل 5 يقدم تصميم وتنفيذ النموذج التجريبي ذو النطاق المنخفض, والتحقق من نتائج المحاكاة من خلال الاختبارات التجريبية. الفصل 6 هو الاستنتاج والاحتمال, والذي يلخص نتائج البحث الرئيسية, يقدم اقتراحات تحسين لتصميم الحماية من الصواعق لأبراج القطب 500 كيلو فولت, ويتطلع إلى اتجاه البحث المستقبلي.

الدافع البرقي هو نوع من الجهد الزائد العابر ذو مدة قصيرة وسعة عالية. عادةً ما يتم تعريف الموجة الكاملة لنبضة البرق بواسطة معلمتين: الوقت الأمامي (T1) ووقت نصف الذروة (T2). وفقا للجنة الانتخابية المستقلة 60060-1 اساسي, تتمتع الموجة الكاملة لنبضة البرق القياسية بزمن أمامي قدره 1.2μs (التسامح ± 30%) ووقت نصف الذروة 50μs (التسامح ± 20%), والذي تم تسجيله على أنه 1.2/50μs [13]. يظهر الشكل الموجي للموجة الكاملة لنبضة البرق القياسية في الشكل 1.

يمكن وصف التعبير الرياضي للموجة الكاملة لنبضة البرق القياسية بواسطة الدالة الأسية المزدوجة [14]:

أين: \( U_m \) هي القيمة القصوى لجهد نبضة البرق; \( \tau_1 \) هو الزمن الأمامي ثابت, الذي يحدد انحدار جبهة الموجة; \( \tau_2 \) هو ثابت وقت الذيل, الذي يحدد مدة ذيل الموجة; \( تي \) هو الوقت المناسب.

يمكن أن تصل القيمة القصوى لجهد نبض البرق الناتج عن البرق الطبيعي إلى مئات الكيلوفولت إلى ملايين الكيلوفولت, ويمكن أن تصل القيمة القصوى لتيار البرق إلى عشرات الكيلومترات إلى مئات الكيلومترات. لخطوط نقل 500 كيلو فولت, عادة ما يكون مستوى جهد نبضة البرق 1425 كيلو فولت, والتي يتم تحديدها وفقًا لمتطلبات تنسيق العزل لنظام الطاقة [15]. عندما تحدث ضربة البرق, سيتم حقن موجة البرق الكاملة في برج القطب من خلال نقطة الضربة, ثم ينتشر على طول جسم البرج إلى الأرض, إحداث ظواهر كهرومغناطيسية عابرة معقدة.

بالإضافة إلى الموجة الكاملة القياسية 1.2/50μs, هناك أيضًا نبضات برق أمامية شديدة الانحدار ونبضات برق طويلة الذيل في الطبيعة. دفعة البرق الأمامية شديدة الانحدار لها وقت أمامي أقصر (أقل من 1μs) وارتفاع انحدار جبهة الموجة, مما له تأثير أكبر على عزل برج القطب. تتمتع دفعة البرق طويلة الذيل بنصف وقت أطول للذروة (أكثر من 50μs), مما قد يسبب أضرارًا تراكمية للمعدات. ومع ذلك, تعتبر الموجة الكاملة لنبضة البرق القياسية 1.2/50μs هي الأكثر تمثيلاً, لذلك يركز هذا البحث على الخصائص الكهرومغناطيسية العابرة لبرج القطب تحت هذا الشكل الموجي.

تعد العملية الكهرومغناطيسية العابرة لبرج القطب تحت دفعة البرق مشكلة اقتران معقدة للمجال الكهرومغناطيسي, الذي يتبع معادلات ماكسويل [16]. معادلات ماكسويل هي المعادلات الأساسية التي تصف المجال الكهرومغناطيسي, بما في ذلك قانون غاوس للكهرباء, قانون غاوس للمغناطيسية, قانون فاراداي للحث الكهرومغناطيسي, وقانون أمبير ماكسويل. الشكل التفاضلي لمعادلات ماكسويل هو كما يلي:

أين: \( \vec{د} \) هو ناقل الإزاحة الكهربائية; \( \rho_v \) هي كثافة شحنة الحجم; \( \vec{ب} \) هي شدة الحث المغناطيسي; \( \vec{ه} \) هي شدة المجال الكهربائي; \( \vec{H} \) هي شدة المجال المغناطيسي; \( \vec{J} \) هي الكثافة الحالية; \( تي \) هو الوقت المناسب.

في التحليل الكهرومغناطيسي العابر لبرج القطب, عادة ما يعتبر هيكل برج القطب بمثابة موصل, والوسط المحيط به هو الهواء. العلاقات التأسيسية للموصل والهواء هي كما يلي:

أين: \( \فاريبسيلون \) هي السماحية; \( \في \) هي النفاذية; \( \سيجما \) هي الموصلية.

عندما يتم حقن موجة البرق الكاملة في برج القطب, سيتم توليد تيار متغير بمرور الوقت في جسم البرج, والتي سوف تثير مجالًا كهرومغناطيسيًا متغيرًا بمرور الوقت حول برج القطب. سوف يحفز المجال الكهرومغناطيسي المتغير بمرور الوقت تيارات إيدي في موصل برج القطب, وسيكون هناك اقتران كهرومغناطيسي بين جسم البرج, عبر الذراع, سلسلة عازل, وموصل. الاستجابة الكهرومغناطيسية العابرة لبرج القطب هي نتيجة التفاعل بين نبضة البرق المحقونة, المجال الكهرومغناطيسي, وهيكل برج القطب.

هيكل برج القطب عبارة عن هيكل تروس مكاني معقد يتكون من فولاذ متعدد الزوايا متصل بمسامير. عندما يضرب البرق برج القطب, تتضمن آلية الاستجابة العابرة لبرج القطب بشكل رئيسي الجوانب التالية:

(1) آلية توزيع الجهد والتيار: سيتم توزيع جهد نبضة البرق المحقون من نقطة الضربة على طول جسم البرج. بسبب السعة الموزعة والتحريض لجسم البرج, سيكون للجهد والتيار تأثير موجة متنقلة أثناء عملية الانتشار. تعد المعاوقة الموجية لجسم البرج معلمة مهمة تؤثر على توزيع الجهد والتيار. تتراوح المعاوقة الموجية لبرج القطب الفولاذي الزاوي عادةً بين 100Ω و300Ω, والذي يرتبط بمساحة المقطع العرضي لجسم البرج, المسافة بين زوايا الفولاذ, وارتفاع البرج [17].

(2) آلية اقتران المجال الكهرومغناطيسي: سيولد التيار المتغير بمرور الوقت في جسم البرج مجالًا كهرومغناطيسيًا متغيرًا بمرور الوقت حول برج القطب. سوف يحفز المجال الكهرومغناطيسي الجهد والتيار في الموصلات المجاورة والمكونات المعدنية, وهو تأثير الحث الكهرومغناطيسي. في نفس الوقت, سوف يتفاعل المجال الكهرومغناطيسي أيضًا مع جهاز التأريض الخاص ببرج القطب, التأثير على تيار التأريض وجهد التأريض [18].

(3) آلية استجابة العزل: تعتبر السلسلة العازلة بين برج القطب والموصل مكونًا مهمًا للعزل. تحت تأثير دفعة البرق الزائد, سوف تتحمل سلسلة العازل جهدًا عابرًا عاليًا. إذا تجاوز الجهد العابر قوة العزل لسلسلة العازل, سيحدث وميض العزل, مما يؤدي إلى حدوث ماس كهربائي بين الموصل وبرج القطب [19].

(4) آلية الاستجابة للتأريض: يتم استخدام جهاز التأريض الخاص ببرج القطب لتوجيه تيار البرق إلى الأرض وتقليل جهد التأريض. تحت تأثير دفعة البرق, ستظهر مقاومة التأريض لجهاز التأريض خصائص عابرة. بسبب تأثير الجلد وتأين التربة, عادة ما تكون مقاومة التأريض العابرة أصغر من مقاومة التأريض في الحالة المستقرة, لكن قانون التغيير معقد [20]. تؤثر استجابة التأريض بشكل مباشر على معدل التوهين لتيار الصاعقة وتوزيع الجهد العابر على برج القطب.

في ملخص, إن الاستجابة الكهرومغناطيسية العابرة لبرج القطب تحت دفعة البرق هي نتيجة شاملة لآليات متعددة مثل توزيع الجهد والتيار, اقتران المجال الكهرومغناطيسي, استجابة العزل, والاستجابة التأريض. لتحليل الخصائص الكهرومغناطيسية العابرة لبرج القطب بدقة, فمن الضروري النظر بشكل شامل في هذه الآليات وإنشاء نموذج رياضي ونموذج محاكاة معقول.

إن برج القطب الفولاذي ذو الزاوية 500 كيلو فولت الذي تمت دراسته في هذه المقالة هو برج نموذجي من النوع 猫头, مع ارتفاع إجمالي 45 م, عرض القاعدة 8 م, وطول ذراع متقاطع 12 م. يتكون جسم البرج من فولاذ زاوية Q355, بأحجام مقطعية مختلفة على ارتفاعات مختلفة. يتكون الذراع المتقاطع أيضًا من فولاذ زاوية Q355, والخيط العازل مصنوع من البلاستيك المقوى بالألياف الزجاجية. بسبب الهيكل المعقد لبرج القطب, من الضروري تبسيط النموذج أثناء عملية نمذجة العناصر المحدودة لتحسين كفاءة الحساب على أساس ضمان دقة الحساب.

تدابير التبسيط الرئيسية هي كما يلي: (1) تجاهل اتصالات الترباس بين زوايا الفولاذ, ونفترض أن الاتصالات جامدة; (2) بسّط سلسلة العازل بحيث تكون عازلًا أسطوانيًا له نفس القطر والطول المكافئين; (3) تجاهل المكونات الصغيرة مثل لوحة قاعدة البرج ومشبك الكابل, والتي لها تأثير ضئيل على الاستجابة الكهرومغناطيسية العابرة; (4) تم تبسيط جهاز التأريض كشبكة تأريض أفقية بطول 20 مترًا, عرض 20 م, وعمق الدفن 0.8 م, وموصل التأريض عبارة عن فولاذ مستدير يبلغ قطره 12 مم.

استنادا إلى تدابير التبسيط المذكورة أعلاه, تم إنشاء النموذج الهندسي ثلاثي الأبعاد لبرج القطب جهد 500 ك.ف باستخدام برنامج ANSYS DesignModeler. النموذج الهندسي يشمل جسم البرج, عبر الذراع, سلسلة عازل, موصل, وجهاز التأريض. الموصل هو موصل نقل تيار متردد 500 كيلو فولت بقطر 25 مم. يظهر النموذج في الشكل 2.

المواد الرئيسية المستخدمة في نموذج برج القطب تشمل الفولاذ Q355 (هيئة برج, عبر الذراع, موصل التأريض), البلاستيك المقوى بالألياف الزجاجية (سلسلة عازل), هواء (المتوسطة المحيطة), والتربة (وسيلة التأريض). وتظهر معلمات المواد في الجدول 1.

مواد	الموصلية σ (ق / م)	السماحية ε (واو / م)	النفاذية μ (ح / م)	الكثافة ρ (كجم / متر مكعب)
Q355 الصلب	5.8×10⁶	8.85×10⁻¹²	4π×10⁻⁷	7850
البلاستيك المقوى بالألياف الزجاجية	1×10⁻¹²	3.54×10⁻¹¹	4π×10⁻⁷	1800
هواء	1×10⁻¹⁵	8.85×10⁻¹²	4π×10⁻⁷	1.29
تربة	0.01	1.77×10⁻¹⁰	4π×10⁻⁷	1800

تجدر الإشارة إلى أن موصلية التربة تتأثر بعوامل مثل نوع التربة, محتوى الرطوبة, ودرجة الحرارة. تم التحقيق في سلوك صواري الصلب الشبكية في الأدب, يتم أخذ الموصلية للتربة كما 0.01 ق / م, وهو متوسط ​​قيمة التربة الطميية المستخدمة عادة في الهندسة [21]. السماحية للبلاستيك المقوى بالألياف الزجاجية هي 4 أضعاف الهواء, والتي يتم تحديدها وفقًا لمعايير المواد المقدمة من قبل الشركة المصنعة.

يعد إنشاء الشبكات خطوة أساسية في محاكاة العناصر المحدودة, مما يؤثر بشكل مباشر على دقة الحساب وكفاءة الحساب. يتم تنفيذ التوليد الشبكي لنموذج برج القطب باستخدام برنامج ANSYS Meshing. مع الأخذ في الاعتبار البنية المعقدة لبرج القطب والمتطلبات العالية لدقة الحساب للمجال الكهرومغناطيسي بالقرب من جسم البرج, تم اعتماد استراتيجيات توليد الشبكات التالية:

(1) استخدم شبكة رباعية السطوح لجسم البرج, عبر الذراع, سلسلة عازل, موصل, وجهاز التأريض, والتي يمكن أن تتكيف مع الشكل الهندسي المعقد; (2) استخدم شبكة سداسية لمناطق الهواء والتربة, والتي تتمتع بدقة وكفاءة حسابية أعلى; (3) تنفيذ تحسين الشبكة للمناطق ذات التدرج الكبير للمجال الكهرومغناطيسي, مثل نقطة ضربة البرق, الاتصال بين جسم البرج والذراع المتقاطع, وشبكة التأريض; (4) التحكم في الحد الأقصى لحجم الشبكة: الحد الأقصى لحجم الشبكة لجسم البرج والذراع المتقاطع هو 0.5 متر, الحد الأقصى لحجم الشبكة لسلسلة العازل والموصل هو 0.2 متر, الحد الأقصى لحجم الشبكة لشبكة التأريض هو 0.3 م, والحد الأقصى لحجم شبكة مناطق الهواء والتربة هو 2 متر.

بعد جيل الشبكة, العدد الإجمالي لعناصر الشبكة للنموذج هو 1,256,800, والعدد الإجمالي للعقد هو 2,345,600. يتم فحص جودة الشبكة, ومتوسط ​​نسبة العرض إلى الارتفاع هو 1.8, الذي يلبي متطلبات حساب العناصر المحدودة.

3.4.1 شروط الحدود

يتم تعيين الشروط الحدودية لنموذج المحاكاة على النحو التالي: (1) تم تعيين حدود المجال البعيد للمنطقة الجوية. حدود المجال البعيد هي حدود غير عاكسة, والتي يمكنها محاكاة التمدد اللانهائي للهواء وتجنب انعكاس الموجات الكهرومغناطيسية عند الحدود, التأثير على نتائج المحاكاة; (2) تم تعيين الحدود الأرضية لمنطقة التربة. تم تعيين الحدود الأرضية كحدود موصل مثالية, بافتراض أن التربة عميقة إلى ما لا نهاية, وتمتص التربة الموجات الكهرومغناطيسية بالكامل; (3) لم يتم تعيين حدود التماثل, لأن ضربة البرق عبارة عن حمل غير متماثل, والاستجابة الكهرومغناطيسية العابرة لبرج القطب غير متماثلة أيضًا.

3.4.2 جارٍ تحميل الإعدادات

يتم تحميل موجة البرق الكاملة كمصدر للجهد عند نقطة الإضراب. وفقا لنطاق البحث في هذه الورقة, يتم تحديد ثلاثة مواقع نموذجية لضربة البرق: (1) أعلى البرج: يتم تحميل مصدر الجهد في العقدة العلوية لجسم البرج; (2) عبر الذراع: يتم تحميل مصدر الجهد عند العقدة النهائية للذراع المتقاطع; (3) موصل: يتم تحميل مصدر الجهد عند العقدة الوسطى للموصل.

يتم ضبط معلمات الموجة الكاملة لنبضة البرق وفقًا للجنة الكهروتقنية الدولية (IEC). 60060-1 اساسي: الوقت الأمامي 1.2μs, وقت نصف الذروة 50μs, وذروة الجهد 1425 كيلو فولت (مستوى الجهد النبضي البرقي لخطوط النقل 500 كيلو فولت). يتم إنشاء شكل موجة الجهد باستخدام الدالة الأسية المزدوجة في برنامج ANSYS Maxwell, ويتم ضبط الخطوة الزمنية على 0.01μs لضمان التقاط العملية العابرة بدقة. تم ضبط وقت المحاكاة على 200μs, والذي يغطي كامل عملية موجة البرق الكاملة من الارتفاع إلى الاضمحلال.

بالإضافة الى, تتم محاكاة مقاومة التأريض عن طريق إضافة حد مقاومة عند شبكة التأريض. أربع قيم مختلفة لمقاومة التأريض (5أوه, 10أوه, 15أوه, و 20Ω) تم إعداد دراسة تأثير مقاومة التأريض على الاستجابة الكهرومغناطيسية العابرة لبرج القطب.

يتم إجراء حساب المحاكاة باستخدام وحدة المجال الكهرومغناطيسي العابرة لبرنامج ANSYS Maxwell. يتم تعيين الحل إلى حل المجال الزمني, وهو مناسب لمحاكاة المجال الكهرومغناطيسي العابر بخصائص متغيرة بمرور الوقت. طريقة الحساب هي طريقة العناصر المحدودة, الذي يقسم مجال الحل إلى عدد كبير من العناصر المحدودة, ويحل معادلات ماكسويل في كل عنصر للحصول على توزيع المجال الكهرومغناطيسي.

أثناء عملية الحساب, تم تعيين المعلمات التالية: (1) الشرط الأولي هو صفر, هذا هو, كثافة المجال الكهربائي الأولية وكثافة المجال المغناطيسي في مجال الحل هي صفر; (2) تم ضبط معيار التقارب على 1×10⁻⁶, مما يضمن دقة الحساب; (3) تم تمكين تسريع الأجهزة, باستخدام GPU لتسريع العملية الحسابية, مما يحسن كفاءة الحساب.

بعد حساب المحاكاة, الجهد العابر, تيار عابر, ويمكن الحصول على توزيع المجال الكهرومغناطيسي العابر لكل جزء من برج القطب في أوقات مختلفة من خلال وحدة المعالجة اللاحقة لبرنامج ANSYS Maxwell.

شكل 3 يُظهر الشكل الموجي للجهد العابر لأجزاء مختلفة من برج القطب عندما يضرب البرق الجزء العلوي من البرج (مقاومة التأريض هي 10Ω). ويمكن رؤيته من الشكل 3 أن الجهد العابر لكل جزء من برج القطب يزداد بسرعة مع صعود موجة البرق الكاملة, يصل إلى قيمة الذروة عند حوالي 1.2μs, ثم يضمحل تدريجياً مع اضمحلال الذيل الموجي.

قيم الذروة للجهد العابر في أجزاء مختلفة هي كما يلي: الجزء العلوي من البرج 1425 كيلو فولت (يساوي القيمة القصوى لجهد نبضة البرق المحملة), منتصف جسم البرج (22.5م) هو 785 كيلو فولت, الجزء السفلي من جسم البرج (0م) هو 125 كيلو فولت, نهاية الذراع المتقاطعة هي 650 كيلو فولت, وسلسلة العازل 580 كيلو فولت. يتناقص الجهد العابر تدريجياً من أعلى البرج إلى أسفل البرج, وذلك لأن جسم البرج لديه مقاومة موجية معينة, ويتم تخفيف جهد نبضة البرق أثناء عملية الانتشار على طول جسم البرج.

الجهد العابر على سلسلة العازل هو الجهد بين الذراع المتقاطع والموصل. عندما يضرب البرق قمة البرج, الذراع المتقاطعة عند جهد عابر عالي, بينما لا يتعرض الموصل لضربة مباشرة من البرق, وبالتالي فإن الجهد العابر على سلسلة العازل هو الفرق بين الجهد العابر للذراع المتقاطع والموصل. القيمة القصوى للجهد العابر على سلسلة العازل هي 580 كيلو فولت, وهي أقل من قوة العزل لسلسلة العازل 500 كيلو فولت (1425كيلو فولت), لذلك لا يحدث وميض العزل.

شكل 4 يُظهر شكل موجة التيار العابر لأجزاء مختلفة من برج القطب عندما يضرب البرق الجزء العلوي من البرج (مقاومة التأريض هي 10Ω). كما أن التيار العابر لكل جزء من برج القطب يزداد بسرعة مع صعود موجة البرق الكاملة, يصل إلى قيمة الذروة عند حوالي 1.5μs, ومن ثم يضمحل تدريجيا.

قيم الذروة للتيار العابر في أجزاء مختلفة هي كما يلي: الجزء العلوي من البرج 14.25 كيلو أمبير, منتصف جسم البرج 12.8 كيلو أمبير, الجزء السفلي من جسم البرج 11.5 كيلو أمبير, وشبكة التأريض 11.5 كيلو أمبير. يتناقص التيار العابر قليلاً من أعلى البرج إلى أسفل البرج, وذلك لأن جزءًا صغيرًا من التيار يتسرب إلى الأرض من خلال السعة الموزعة لجسم البرج. التيار العابر لشبكة التأريض يساوي التيار العابر في الجزء السفلي من جسم البرج, مما يدل على أن كل التيار الموجود في أسفل جسم البرج يتم حقنه في الأرض من خلال شبكة التأريض.

يختلف شكل موجة التيار العابر قليلاً عن شكل موجة الجهد العابر. وقت الذروة للتيار العابر متأخر عن الجهد العابر, وذلك لأن محاثة جسم البرج وشبكة التأريض تتسبب في تأخر التيار عن الجهد.

شكل 5 يُظهر توزيع المجال الكهرومغناطيسي العابر حول برج القطب عند t = 1.2μs (وقت الذروة للجهد العابر) عندما يضرب البرق قمة البرج (مقاومة التأريض هي 10Ω). كثافة المجال الكهرومغناطيسي هي الأعلى بالقرب من قمة البرج, بقيمة ذروة تبلغ 5.8×10⁵ فولت/م (شدة المجال الكهربائي) و1.5×10³ أ/م (شدة المجال المغناطيسي).

يتضاءل المجال الكهرومغناطيسي العابر حول برج القطب بشكل كبير مع زيادة المسافة. عندما تكون المسافة من جسم البرج 5 م, شدة المجال الكهربائي هي 1.2×10⁵ فولت/م, وشدة المجال المغناطيسي هي 3.2×10² A/m; عندما تكون المسافة 10 م, شدة المجال الكهربائي هي 2.8×10⁴ فولت/م, وشدة المجال المغناطيسي هي 7.5×10¹ A/m; عندما تكون المسافة 20 م, شدة المجال الكهربائي هي 6.8×10³ فولت/م, وشدة المجال المغناطيسي هي 1.8×10¹ A/m. يتوافق قانون التوزيع هذا مع خصائص الموجة الكهرومغناطيسية القريبة من المجال الناتجة عن التيار العابر.

بالإضافة الى, كثافة المجال الكهرومغناطيسي لها اتجاهية واضحة. شدة المجال الكهرومغناطيسي في اتجاه ضربة البرق (الاتجاه العمودي) أعلى من ذلك في الاتجاه الأفقي, وذلك لأن التيار العابر في جسم البرج عمودي بشكل أساسي, ويكون المجال الكهرومغناطيسي الناتج عن التيار العمودي أقوى في الاتجاه العمودي.

شكل 6 يُظهر الشكل الموجي للجهد العابر لأجزاء مختلفة من برج القطب عندما يضرب البرق الذراع المتقاطع (مقاومة التأريض هي 10Ω). مقارنة بضربة البرق في أعلى البرج, الجهد العابر للذراع المتقاطع هو الأعلى, بقيمة ذروة 1425 كيلو فولت. الجهد العابر في أعلى البرج هو 980 كيلو فولت, منتصف جسم البرج 560 كيلو فولت, الجزء السفلي من جسم البرج هو 105 كيلو فولت, وسلسلة العازل 850 كيلو فولت.

يكون الجهد العابر على سلسلة العازل أعلى بكثير من الجهد الذي يحدث عندما يضرب البرق قمة البرج. وذلك لأنه عندما يضرب البرق الذراع المتقاطعة, يكون الذراع المتقاطع مباشرة عند ذروة جهد نبضة البرق, والموصل قريب من الذراع المتقاطعة, وبالتالي فإن فرق الجهد بين الذراع المتقاطع والموصل أكبر. القيمة القصوى للجهد العابر على سلسلة العازل هي 850 كيلو فولت, والتي لا تزال أقل من قوة العزل لسلسلة العازل, لذلك لا يحدث وميض العزل. ومع ذلك, إذا كان جهد نبضة البرق أعلى أو انخفض أداء العزل لسلسلة العازل, قد يحدث وميض العزل.

شكل 7 يُظهر شكل موجة التيار العابر لأجزاء مختلفة من برج القطب عندما يضرب البرق الذراع المتقاطع (مقاومة التأريض هي 10Ω). قيمة الذروة للتيار العابر عند الذراع المتقاطع هي 14.25 كيلو أمبير, الجزء العلوي من البرج 4.8 كيلو أمبير, منتصف جسم البرج 9.5 كيلو أمبير, الجزء السفلي من جسم البرج 11.2 كيلو أمبير, وشبكة التأريض 11.2 كيلو أمبير.

مقارنة بضربة البرق في أعلى البرج, التيار العابر في أعلى البرج أصغر بكثير, في حين أن التيار العابر في منتصف جسم البرج أصغر قليلاً. وذلك لأنه عندما يضرب البرق الذراع المتقاطعة, وينقسم التيار إلى قسمين: جزء واحد يتدفق إلى أعلى البرج, والجزء الآخر يتدفق إلى أسفل البرج. بسبب مقاومة الموجة الأعلى للجزء العلوي من البرج, يتدفق معظم التيار إلى أسفل البرج ويتم حقنه في الأرض من خلال شبكة التأريض.

شكل 8 يُظهر توزيع المجال الكهرومغناطيسي العابر حول برج القطب عند t = 1.2μs عندما يضرب البرق الذراع المتقاطعة (مقاومة التأريض هي 10Ω). كثافة المجال الكهرومغناطيسي بالقرب من الذراع المتقاطع هي الأعلى, بقيمة ذروة تبلغ 6.2×10⁵ فولت/م (شدة المجال الكهربائي) و1.6×10³ أ/م (شدة المجال المغناطيسي), وهو أعلى من ذلك الذي يحدث عندما يضرب البرق قمة البرج.

كما أن المجال الكهرومغناطيسي العابر حول برج القطب يضمحل بشكل كبير مع زيادة المسافة. عندما تكون المسافة من الذراع المتقاطعة 5 أمتار, شدة المجال الكهربائي هي 1.3×10⁵ فولت/م, وشدة المجال المغناطيسي هي 3.4×10² A/m; عندما تكون المسافة 10 م, شدة المجال الكهربائي هي 3.0×10⁴ V/m, وشدة المجال المغناطيسي هي 7.8×10¹ A/m. اتجاهية المجال الكهرومغناطيسي واضحة أيضًا, وتكون شدة المجال الكهرومغناطيسي في الاتجاه العمودي على الذراع المتقاطع أعلى منها في الاتجاهات الأخرى.

شكل 9 يُظهر الشكل الموجي للجهد العابر لأجزاء مختلفة من برج القطب عندما يضرب البرق الموصل (مقاومة التأريض هي 10Ω). عندما يضرب البرق الموصل, الجهد العابر للموصل هو 1425 كيلو فولت, سلسلة العازل 1425 كيلو فولت (يساوي جهد الموصل), الذراع المتقاطع 575 كيلو فولت, الجزء العلوي من البرج 480 كيلو فولت, منتصف جسم البرج 320 كيلو فولت, والجزء السفلي من جسم البرج هو 85 كيلو فولت.

يكون الجهد العابر على سلسلة العازل هو الأعلى عندما يضرب البرق الموصل, وهو ما يساوي القيمة القصوى لجهد نبضة البرق. وذلك لأن الموصل يتعرض لضربة البرق مباشرة, ويتحمل الخيط العازل الجهد الكامل لنبضة البرق. القيمة القصوى للجهد العابر على سلسلة العازل هي 1425 كيلو فولت, وهو ما يعادل قوة العزل لسلسلة العازل. في هذا الوقت, سلسلة العازل في حالة حرجة من وميض العزل. إذا كان الجهد الدافع البرق أعلى قليلا, سيحدث وميض العزل, مما يؤدي إلى حدوث ماس كهربائي بين الموصل والذراع المتقاطع.

شكل 10 يُظهر شكل موجة التيار العابر لأجزاء مختلفة من برج القطب عندما يضرب البرق الموصل (مقاومة التأريض هي 10Ω). قيمة الذروة للتيار العابر في الموصل هي 14.25 كيلو أمبير, سلسلة العازل هي 14.25 كيلو أمبير, الذراع المتقاطع 12.5 كيلو أمبير, الجزء العلوي من البرج 3.2 كيلو أمبير, منتصف جسم البرج 9.8 كيلو أمبير, الجزء السفلي من جسم البرج 11.0 كيلو أمبير, وشبكة التأريض 11.0 كيلو أمبير.

عندما يضرب البرق الموصل, ينتقل التيار إلى الذراع المتقاطعة من خلال سلسلة العازل, ثم قسمت إلى قسمين: جزء واحد يتدفق إلى أعلى البرج, والجزء الآخر يتدفق إلى أسفل البرج. يتم حقن التيار المتدفق إلى أسفل البرج في الأرض من خلال شبكة التأريض. التيار العابر عند الذراع المتقاطعة أصغر قليلاً من التيار عند الموصل, وذلك لأن جزءًا صغيرًا من التيار يتسرب إلى الهواء من خلال السعة الموزعة للذراع المتقاطع.

شكل 11 يُظهر توزيع المجال الكهرومغناطيسي العابر حول برج القطب عند t = 1.2μs عندما يضرب البرق الموصل (مقاومة التأريض هي 10Ω). كثافة المجال الكهرومغناطيسي بالقرب من الموصل وسلسلة العازل هي الأعلى, بقيمة ذروة تبلغ 6.5×10⁵ فولت/م (شدة المجال الكهربائي) و 1.7 × 10³ أ/م (شدة المجال المغناطيسي), وهو أعلى من ذلك عندما يضرب البرق قمة البرج والذراع المتقاطع.

يتضاءل المجال الكهرومغناطيسي العابر حول برج القطب بشكل كبير مع زيادة المسافة. عندما تكون المسافة من الموصل 5 م, شدة المجال الكهربائي هي 1.4×10⁵ فولت/م, وشدة المجال المغناطيسي هي 3.6×10² A/m; عندما تكون المسافة 10 م, شدة المجال الكهربائي هي 3.2×10⁴ فولت/م, وشدة المجال المغناطيسي هي 8.2×10¹ A/m. المجال الكهرومغناطيسي في الاتجاه الموازي للموصل أعلى منه في الاتجاهات الأخرى.

دراسة تأثير مقاومة التأريض على الخصائص الكهرومغناطيسية العابرة لبرج القطب, أربع قيم مختلفة لمقاومة التأريض (5أوه, 10أوه, 15أوه, و 20Ω) تم تحديدها, ويتم تثبيت موضع ضربة البرق في أعلى البرج. يظهر في الجدول تباين قيمة الذروة للجهد والتيار العابر في أجزاء مختلفة من برج القطب مع مقاومة التأريض 2.

مقاومة التأريض (أوه)	ذروة الجهد العابر عند قمة البرج (كيلو فولت)	ذروة الجهد العابر في أسفل البرج (كيلو فولت)	ذروة التيار العابر عند قمة البرج (ال)	ذروة التيار العابر في شبكة التأريض (ال)
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

ويمكن رؤيته من الجدول 2 أن القيمة القصوى للجهد العابر في أعلى البرج لا تتأثر بمقاومة التأريض, والتي تساوي دائمًا القيمة القصوى لجهد نبضة البرق المحملة. ومع ذلك, تزداد قيمة الذروة للجهد العابر في أسفل البرج بشكل ملحوظ مع زيادة مقاومة التأريض. عندما تزيد مقاومة التأريض من 5Ω إلى 20Ω, تزداد قيمة الذروة للجهد العابر في أسفل البرج من 65 كيلو فولت إلى 245 كيلو فولت, ازدياد ب 277%.

كما أن قيمة الذروة للتيار العابر في أعلى البرج لا تتأثر أيضًا بمقاومة التأريض, في حين أن القيمة القصوى للتيار العابر عند شبكة التأريض تتناقص مع زيادة مقاومة التأريض. عندما تزيد مقاومة التأريض من 5Ω إلى 20Ω, تنخفض قيمة الذروة للتيار العابر في شبكة التأريض من 13.8 كيلو أمبير إلى 8.5 كيلو أمبير, انخفاض 38.4%. وذلك لأن زيادة مقاومة التأريض تزيد من مقاومة حلقة التأريض, تقليل التيار المحقون في الأرض.

إن زيادة الجهد العابر في أسفل البرج وانخفاض التيار العابر في شبكة التأريض سوف يزيد من خطر وميض العزل لبرج القطب والمعدات الملحقة به. وبالتالي, يعد تقليل مقاومة التأريض إجراءً فعالاً لتحسين أداء الحماية من الصواعق لبرج القطب.

بناءً على تحليل المحاكاة أعلاه, الاستنتاجات الرئيسية حول الخصائص الكهرومغناطيسية العابرة لبرج القطب 500 كيلو فولت تحت موجة البرق الكاملة هي كما يلي:

(1) موقع ضربة البرق له تأثير كبير على الاستجابة الكهرومغناطيسية العابرة لبرج القطب. عندما يضرب البرق الموصل, الجهد العابر على سلسلة العازل هو الأعلى, وهو في حالة حرجة من وميض العزل; عندما يضرب البرق الذراع المتقاطعة, كثافة المجال الكهرومغناطيسي بالقرب من الذراع المتقاطع هي الأعلى; عندما يضرب البرق قمة البرج, الجهد والتيار العابر في أعلى البرج هما الأعلى.

(2) يتناقص الجهد العابر لبرج القطب تدريجيًا من نقطة الإضراب إلى أسفل البرج, كما ينخفض ​​​​التيار العابر قليلاً. يتضاءل المجال الكهرومغناطيسي العابر حول برج القطب بشكل كبير مع زيادة المسافة, ولها اتجاهية واضحة.

(3) إن مقاومة التأريض لها تأثير كبير على الاستجابة الكهرومغناطيسية العابرة لبرج القطب. مع زيادة مقاومة التأريض, يزداد الجهد العابر في أسفل البرج بشكل ملحوظ, ويتناقص التيار العابر عند شبكة التأريض, مما يزيد من خطر وميض العزل.

(4) تحمل سلسلة العازل أعلى جهد عابر عندما يضرب البرق الموصل, وهي أخطر حالة عمل لسلسلة العازل. وبالتالي, في تصميم الحماية من الصواعق لبرج القطب, وينبغي إيلاء اهتمام خاص لحماية سلسلة العازل عندما يضرب البرق الموصل.

للتحقق من صحة نموذج محاكاة العناصر المحدودة, تم بناء نموذج تجريبي مصغر لبرج القطب بقدرة 500 كيلو فولت على أساس مبدأ التشابه. يتطلب مبدأ التشابه أن تكون المعلمات الهندسية, المعلمات المادية, وتتشابه معلمات التحميل الخاصة بالنموذج ذي الحجم المنخفض مع معلمات النموذج الأولي [22]. تم تعيين نسبة مقياس النموذج المصغر إلى النموذج الأولي على 1:20, والذي يتم تحديده وفقًا لحجم المختبر وقدرة مولد نبضات البرق.

المعلمات الهندسية للنموذج المصغر هي كما يلي: الارتفاع الإجمالي لجسم البرج 2.25 م, عرض القاعدة 0.4 م, طول الذراع المتقاطع هو 0.6 متر. جسم البرج والذراع المتقاطع مصنوعان من فولاذ زاوية Q235 بحجم مقطع عرضي 5 مم × 5 مم × 0.5 مم. السلسلة العازلة مصنوعة من الزجاج العضوي بقطر 2 مم وطول 50 مم. الموصل عبارة عن سلك نحاسي يبلغ قطره 1.25 ملم. جهاز التأريض عبارة عن شبكة تأريض أفقية بطول 1 متر, عرض 1 متر, وعمق الدفن 0.04 م, وموصل التأريض عبارة عن سلك نحاسي يبلغ قطره 0.6 مم.

من حيث مطابقة المعلمات المادية, وفقا لمبدأ التشابه, السماحية النسبية, يجب أن تظل النفاذية النسبية والتوصيل للمادة متسقة مع النموذج الأولي لضمان تشابه الخصائص الكهرومغناطيسية. يتمتع الفولاذ Q235 المستخدم في النموذج المصغر بموصلية 5.0×10⁶ S/m, وهو قريب من 5.8×10⁶ S/m من فولاذ Q355 في النموذج الأولي, والفرق ضمن النطاق المقبول للأخطاء التجريبية. السماحية النسبية للزجاج العضوي هي 3.2, الذي هو قريب من 4.0 من البلاستيك المقوى بالألياف الزجاجية في النموذج الأولي, ويمكن أن تلبي متطلبات محاكاة أداء العزل. التربة المستخدمة في التجربة هي طينية ذات موصلية كهربية 0.01 ق / م, وهو نفس ما تم تحديده في نموذج المحاكاة.

لمطابقة معلمات التحميل, يجب أن تلبي الموجة الكاملة لنبضة البرق المطبقة على النموذج ذي النطاق المنخفض نسبة تشابه الجهد. وفقا لنسبة المقياس الهندسي 1:20, نسبة مقياس الجهد هي أيضا 1:20. وبالتالي, تبلغ قيمة الذروة لجهد نبض البرق المطبق على النموذج ذو الحجم المنخفض 1425 كيلو فولت / 20 = 71.25 كيلو فولت, ولا تزال معلمات الشكل الموجي 1.2/50μs, وهو ما يتوافق مع المتطلبات القياسية.

يتكون النظام التجريبي بشكل أساسي من مولد نبضات البرق, نموذج برج القطب على نطاق منخفض, نظام قياس, ونظام التأريض, أبراج نقل الطاقة 12. مولد نبضات البرق هو من النوع GS-100kV, والتي يمكن أن تولد موجات كاملة من نبضات البرق القياسية 1.2/50μs مع جهد ذروة قابل للتعديل من 0 إلى 100 كيلو فولت, تلبية متطلبات الحمل التجريبي.

يتضمن نظام القياس مقسم الجهد العالي, جهاز استشعار الحالي, جهاز استشعار المجال الكهرومغناطيسي, ونظام الحصول على البيانات. مقسم الجهد العالي هو مقسم جهد سعوي مع نسبة تقسيم جهد تبلغ 1000:1, والذي يستخدم لقياس الجهد العابر لكل جزء من برج القطب. المستشعر الحالي عبارة عن ملف Rogowski بنطاق قياس يتراوح من 0 إلى 20 كيلو أمبير وعرض نطاق يتراوح من 10 هرتز إلى 10 ميجا هرتز, والذي يستخدم لقياس التيار العابر لجسم البرج وشبكة التأريض. مستشعر المجال الكهرومغناطيسي عبارة عن مسبار مجال كهرومغناطيسي عريض النطاق مع نطاق قياس يتراوح من 1 فولت/م إلى 10⁶ فولت/م (المجال الكهربائي) و0.1 أمبير/م-10³ أمبير/م (المجال المغنطيسي), والذي يستخدم لقياس المجال الكهرومغناطيسي العابر حول برج القطب. يستخدم نظام الحصول على البيانات راسم الذبذبات الرقمي بمعدل أخذ عينات 1GS/s وعمق تخزين 10M, والتي يمكنها التقاط الشكل الموجي العابر للإشارة المقاسة بدقة.

نظام التأريض الخاص بالنظام التجريبي مستقل عن نظام التأريض المعملي لتجنب التداخل المتبادل. مقاومة التأريض لنظام التأريض التجريبي قابلة للتعديل, وأربع قيم مقاومة 0.25Ω, 0.5أوه, 0.75أوه, ويتم ضبط 1Ω وفقًا لنسبة التشابه (متوافق مع 5Ω, 10أوه, 15أوه, و 20Ω في نموذج المحاكاة). يتم توصيل شبكة التأريض الخاصة بالنظام التجريبي بجهاز التأريض الخاص بالنموذج المصغر لضمان إمكانية حقن تيار البرق بسلاسة في الأرض.

يتم تنفيذ الخطوات التجريبية وفقًا لـ IEC 60060-1 المعيار والمتطلبات ذات الصلة لاختبارات الحماية من الصواعق لنظام الطاقة, وتنقسم إلى المراحل التالية:

(1) التحضير قبل التجربة: التحقق من سلامة النموذج المصغر, التأكد من التوصيلات بين جسم البرج, عبر الذراع, سلسلة عازل, وموصل موثوق بها, وتأكد من أن جهاز التأريض على اتصال جيد بالتربة. معايرة نظام القياس, بما في ذلك مقسم الجهد العالي, الاستشعار الحالي, وجهاز استشعار المجال الكهرومغناطيسي, للتأكد من دقة بيانات القياس. اضبط مولد نبضات البرق لتوليد موجة كاملة قياسية تبلغ 1.2/50 ميكروثانية بجهد ذروة يبلغ 71.25 كيلو فولت.

(2) التحميل التجريبي وجمع البيانات: قم بإجراء التجارب تحت ثلاثة مواقع لضربة البرق (أعلى البرج, عبر الذراع, موصل) وأربع قيم مقاومة التأريض على التوالي. لكل حالة عمل, قم بتشغيل مولد نبضات البرق لحقن موجة نبضات البرق الكاملة في نقطة الضربة, واستخدام نظام الحصول على البيانات لجمع الجهد العابر, تيار عابر, وإشارات المجال الكهرومغناطيسي العابرة لكل جزء من برج القطب. يتم تكرار كل حالة عمل 5 مرات لتقليل الخطأ العشوائي للتجربة, ومتوسط ​​قيمة 5 يتم أخذ مجموعات من البيانات كنتيجة تجريبية نهائية.

(3) التشطيب بعد التجربة: قم بإيقاف تشغيل المعدات التجريبية بالتسلسل, فرز البيانات التجريبية التي تم جمعها, وإزالة البيانات غير الصالحة التي تحتوي على أخطاء واضحة. تنظيف الموقع التجريبي والحفاظ على المعدات التجريبية في حالة جيدة.

أخذ حالة العمل الخاصة بضربة البرق في الجزء العلوي من البرج ومقاومة التأريض 0.5Ω (الموافق 10Ω في المحاكاة) كمثال, تتم مقارنة وتحليل النتائج التجريبية ونتائج المحاكاة. شكل 13 يوضح مقارنة شكل موجة الجهد العابر في منتصف جسم البرج بين التجربة والمحاكاة. يمكن أن نرى من الشكل أن شكل الموجة التجريبية وشكل موجة المحاكاة لهما نفس اتجاه الاختلاف: كلاهما يزيد بسرعة إلى قيمة الذروة عند حوالي 1.2 ميكروثانية, ومن ثم تتحلل تدريجياً. قيمة الذروة للجهد العابر الذي حصلت عليه التجربة هي 39.3 كيلو فولت, وقيمة الذروة التي حصلت عليها المحاكاة هي 41.2 كيلو فولت. الخطأ النسبي هو 4.6%, وهو أقل من 8%.

شكل 14 يُظهر مقارنة شكل موجة التيار العابر في شبكة التأريض بين التجربة والمحاكاة. يتمتع الشكل الموجي التجريبي وشكل موجة المحاكاة أيضًا بتناسق جيد. وقت الذروة للتيار التجريبي حوالي 1.5μs, ويبلغ وقت الذروة لتيار المحاكاة أيضًا حوالي 1.5 ميكروثانية. قيمة الذروة للتيار التجريبي هي 0.57 كيلو أمبير, وقيمة الذروة لتيار المحاكاة هي 0.59 كيلو أمبير. الخطأ النسبي هو 3.4%, والذي يقع ضمن النطاق المقبول.

شكل 15 يوضح مقارنة شدة المجال الكهربائي على بعد 5 أمتار من جسم البرج بين التجربة والمحاكاة. ذروة شدة المجال الكهربائي التجريبي هي 6.1×10³ V/m, وتبلغ ذروة شدة المجال الكهربائي المحاكاة 6.4×10³ فولت/م. الخطأ النسبي هو 4.7%, وهو أيضًا أقل من 8%. تتميز شدة المجال المغناطيسي في نفس الموضع أيضًا بثبات جيد, مع وجود خطأ نسبي 5.2%.

الطاولة 3 يظهر مقارنة قيم الذروة للجهد العابر, تيار عابر, وشدة المجال الكهربائي في ظل ظروف العمل المختلفة. ويتبين من الجدول أن الأخطاء النسبية بين النتائج التجريبية ونتائج المحاكاة في جميع ظروف العمل أقل من 8%, مما يدل على أن نموذج محاكاة العناصر المحدودة الذي تم وضعه في هذا البحث يتمتع بدقة وموثوقية عالية, ويمكن أن يحاكي بدقة العملية الكهرومغناطيسية العابرة لبرج القطب 500 كيلو فولت تحت موجة البرق الكاملة.

حالة العمل	نوع المعلمة	القيمة التجريبية	قيمة المحاكاة	خطأ نسبي (%)
ضربة البرق أعلى, ص = 0.5Ω	برج الجهد المتوسط (كيلو فولت)	39.3	41.2	4.6
ضربة البرق أعلى, ص = 0.5Ω	شبكة التأريض الحالية (ال)	0.57	0.59	3.4
ضربة البرق عبر الذراع, ص = 0.5Ω	عبر الذراع الجهد (كيلو فولت)	71.3	74.5	4.3
موصل البرق, ص = 0.5Ω	عازل سلسلة الجهد (كيلو فولت)	71.2	76.8	7.7
ضربة البرق أعلى, ص = 1Ω	5م المجال الكهربائي (×10³ فولت/م)	3.2	3.4	5.9

الأسباب الرئيسية للخطأ البسيط بين النتائج التجريبية ونتائج المحاكاة هي: (1) تبسيط نموذج المحاكاة, مثل تجاهل اتصالات الترباس والمكونات الصغيرة, يؤدي إلى اختلافات طفيفة بين نموذج المحاكاة والبنية الفعلية; (2) العوامل البيئية في التجربة, مثل رطوبة الهواء ودرجة الحرارة, لها تأثير بسيط على توزيع المجال الكهرومغناطيسي; (3) خطأ القياس للمعدات التجريبية نفسها. ومع ذلك, وتقع هذه الأخطاء ضمن النطاق المقبول للبحث الهندسي والأكاديمي, والذي يتحقق بشكل كامل من عقلانية وصحة نموذج المحاكاة.

تم التحقيق في سلوك صواري الصلب الشبكية في الأدب, تم إجراء دراسة شاملة على الخصائص الكهرومغناطيسية العابرة لأبراج أعمدة خطوط النقل جهد 500 كيلو فولت تحت موجة نبضية كاملة من خلال الجمع بين التحليل النظري, محاكاة العناصر المحدودة, والتحقق التجريبي. الاستنتاجات البحثية الرئيسية هي كما يلي:

(1) تم إنشاء النظام النظري للخصائص الكهرومغناطيسية العابرة لأبراج القطب 500 كيلو فولت تحت دفعة البرق. موجة البرق القياسية الكاملة (1.2/50ميكروس) يتبع توزيع الدالة الأسية المزدوجة, وتخضع العملية الكهرومغناطيسية العابرة لبرج القطب لمعادلات ماكسويل. إن الاستجابة العابرة لبرج القطب هي نتيجة للعمل الشامل لتوزيع الجهد والتيار, اقتران المجال الكهرومغناطيسي, استجابة العزل, وآليات الاستجابة التأريضية.

(2) تم إنشاء نموذج محاكاة عالي الدقة ثلاثي الأبعاد للعناصر المحدودة لبرج قطب فولاذي بزاوية 500 كيلو فولت. يأخذ النموذج في الاعتبار الخصائص الهندسية لجسم البرج, عبر الذراع, سلسلة عازل, وجهاز التأريض, ويحدد بدقة معلمات المواد وشروط الحدود. تظهر نتائج المحاكاة أن النموذج يمكنه التقاط العملية الكهرومغناطيسية العابرة لبرج القطب بشكل فعال تحت نبض البرق.

(3) يعد موضع ضربة البرق ومقاومة التأريض من العوامل الرئيسية التي تؤثر على الاستجابة الكهرومغناطيسية العابرة لبرج القطب. عندما يضرب البرق الموصل, تحمل سلسلة العازل أعلى جهد عابر (1425كيلو فولت), وهو في حالة ومضة حرجة; عندما يضرب البرق الذراع المتقاطعة, كثافة المجال الكهرومغناطيسي بالقرب من الذراع المتقاطع هي الأعلى (6.2×10⁵ فولت/م); عندما يضرب البرق قمة البرج, الجهد والتيار العابر في أعلى البرج هما الأعلى. مع زيادة مقاومة التأريض من 5Ω إلى 20Ω, يزداد الجهد العابر في أسفل البرج بمقدار 277%, ويتناقص التيار العابر في شبكة التأريض بمقدار 38.4%, مما يزيد بشكل كبير من خطر وميض العزل.

(4) يتميز المجال الكهرومغناطيسي العابر حول برج القطب بخصائص توزيع مكانية واضحة. يتحلل بشكل كبير مع زيادة المسافة من جسم البرج, ولها اتجاهية كبيرة. تكون شدة المجال الكهرومغناطيسي في اتجاه ضربة البرق هي الأعلى على نفس المسافة.

(5) أظهرت نتائج التحقق التجريبي أن الخطأ النسبي بين النتائج التجريبية ونتائج المحاكاة أقل من 8%, مما يؤكد موثوقية ودقة نموذج المحاكاة. توفر نتائج البحث أساسًا نظريًا وتقنيًا موثوقًا لتصميم الحماية من الصواعق لأبراج أعمدة خطوط النقل بقدرة 500 كيلو فولت..

بناء على نتائج البحث, تم طرح اقتراحات التحسين التالية لتصميم الحماية من الصواعق لأبراج أعمدة خطوط النقل بقدرة 500 كيلو فولت:

(1) تعزيز حماية سلاسل العازل في ظل ظروف الصواعق للموصل. يوصى بتركيب مانعات أكسيد المعدن على سلاسل العازل لأبراج أعمدة خطوط النقل بقدرة 500 كيلو فولت, وخاصة في المناطق المعرضة للصواعق. يمكن للمانع أن يحد من الجهد الزائد العابر على سلسلة العازل, تجنب وميض العزل, وحماية سلسلة العازل والموصل.

(2) تقليل مقاومة التأريض لبرج القطب. اعتماد تدابير مثل توسيع شبكة التأريض, وضع أقطاب التأريض الأفقية والرأسية, واستخدام عوامل تقليل مقاومة التأريض لتقليل مقاومة التأريض لبرج القطب إلى أقل من 5 أوم. وهذا يمكن أن يقلل بشكل فعال من الجهد العابر في الجزء السفلي من البرج, زيادة التيار العابر المحقون في الأرض, وتحسين أداء الحماية من الصواعق لبرج القطب.

(3) تحسين هيكل برج القطب. بالنسبة للأجزاء العلوية من الذراع والبرج المعرضة لكثافة المجال الكهرومغناطيسي العالية, قم بزيادة مساحة المقطع العرضي للزاوية الفولاذية بشكل مناسب أو استخدم أنابيب فولاذية ذات موصلية أفضل لتقليل مقاومة الموجة لجسم البرج, وبالتالي تقليل الجهد العابر وتوزيع التيار. في نفس الوقت, تصميم معقول للتباعد بين الذراع المتقاطع والموصل لزيادة مسافة العزل.

(4) تعزيز مراقبة الحماية من الصواعق لخطوط النقل. قم بتركيب أجهزة مراقبة البرق على أبراج أعمدة خطوط النقل الرئيسية بقدرة 500 كيلو فولت لمراقبة معلمات ضربات البرق في الوقت الفعلي (مثل ذروة تيار البرق, الموجي, موقف الإضراب) والاستجابة العابرة لبرج القطب. يمكن أن يوفر ذلك دعمًا للبيانات لتحسين تصميم الحماية من الصواعق وصيانة خطوط النقل.

على الرغم من أن هذا البحث قد أجرى بحثًا متعمقًا حول الخصائص الكهرومغناطيسية العابرة لأبراج القطب 500 كيلو فولت تحت موجة البرق الكاملة, ولا تزال هناك بعض الجوانب التي تحتاج إلى مزيد من الدراسة في المستقبل:

(1) بحث عن الخصائص الكهرومغناطيسية العابرة في ظل الأشكال الموجية لنبضات البرق غير القياسية. يشمل البرق الطبيعي جبهة شديدة الانحدار, ذيل طويل, ونبضات البرق متعددة الأشواط. يجب أن تركز الأبحاث المستقبلية على الاستجابة الكهرومغناطيسية العابرة لأبراج القطب في ظل هذه الأشكال الموجية غير القياسية, وتقييم شامل لأداء الحماية من الصواعق لأبراج الأعمدة.

(2) بحث عن تأثير العوامل البيئية المعقدة. البحث الحالي لا يأخذ بعين الاعتبار تأثير العوامل البيئية مثل المطر, وأحمال الرياح التي تؤثر على ارتفاعات مختلفة للصاري الشبكي بسرعات رياح مذكورة في الجدول, والرياح على الخصائص الكهرومغناطيسية العابرة لبرج القطب. يجب أن تنشئ الأبحاث المستقبلية نموذج محاكاة يأخذ في الاعتبار العوامل البيئية المعقدة, وتحليل تأثير هذه العوامل على الاستجابة العابرة لبرج القطب.

(3) بحث حول الاقتران الكهرومغناطيسي العابر بين أبراج القطب والمعدات المجاورة. يقع برج القطب لخط النقل بقدرة 500 كيلو فولت بالقرب من المعدات مثل أبراج الاتصالات وخزائن توزيع الطاقة. قد يكون للمجال الكهرومغناطيسي العابر الناتج عن ضربات البرق تأثيرات اقتران على هذه المعدات المجاورة. يجب أن تدرس الأبحاث المستقبلية التداخل الكهرومغناطيسي بين أبراج القطب والمعدات المجاورة, وطرح التدابير المقابلة لمكافحة التدخل.

(4) تطوير تقنية ذكية للحماية من الصواعق لأبراج الأعمدة. الجمع بين التقنيات الناشئة مثل الذكاء الاصطناعي والبيانات الضخمة لإنشاء نظام ذكي للحماية من الصواعق لأبراج أعمدة خطوط النقل بقدرة 500 كيلو فولت. يمكن للنظام التنبؤ بضربات البرق, ضبط تدابير الحماية من الصواعق في الوقت الحقيقي, وتحسين قدرة الحماية من الصواعق النشطة لنظام الطاقة.