Abstrakt: Als Kernkomponente von 500-kV-Hochspannungsleitungen, Masttürme haben die doppelte Funktion, Leiter zu tragen und zu erden. Blitzeinschläge sind eine der größten Bedrohungen für den sicheren und stabilen Betrieb von Übertragungsleitungen, und das elektromagnetische Übergangsverhalten von Masttürmen unter Vollwellen von Blitzimpulsen wirkt sich direkt auf die Isolationskoordination und den Blitzschutzentwurf des gesamten Energiesystems aus. In diesem Papier, Durch die Kombination theoretischer Analysen wird eine umfassende Studie über die elektromagnetischen Übergangseigenschaften von 500-kV-Übertragungsleitungsmasttürmen unter Blitzimpuls-Vollwelle durchgeführt, Finite-Elemente-Simulation, und experimentelle Tests. Erste, Die theoretischen Grundlagen elektromagnetischer Transienten unter Blitzimpulsen werden erläutert, einschließlich der Eigenschaften von Blitzimpuls-Vollwellen, das Gesetz der elektromagnetischen Feldverteilung, und der transiente Reaktionsmechanismus von Mastturmstrukturen. Dann, ein dreidimensionales Finite-Elemente-Modell eines 500-kV-Winkels Stahlmast-Der Turm wird mit der ANSYS Maxwell-Software erstellt, und die Blitzimpuls-Vollwelle (1.2/50μs) wird angewendet, um den elektromagnetischen Übergangsprozess des Mastturms zu simulieren. Die Verteilungseigenschaften der transienten Spannung, Übergangsstrom, und transientes elektromagnetisches Feld des Mastmastes bei verschiedenen Blitzeinschlagpositionen (Spitze des Turms, Querarm, und Dirigent) und verschiedene Erdungswiderstandswerte werden analysiert. Inzwischen, Basierend auf dem Ähnlichkeitsprinzip wird ein verkleinertes experimentelles Modell des Mastturms gebaut, und Blitzimpuls-Vollwellentests werden durchgeführt, um die Richtigkeit der Simulationsergebnisse zu überprüfen. Das zeigen die Ergebnisse: (1) Die Position des Blitzeinschlags hat einen erheblichen Einfluss auf das elektromagnetische Einschwingverhalten des Mastturms. Die transienten Spannungen und Ströme an der Spitze des Turms sind am größten, wenn ein Blitz die Spitze des Turms einschlägt, und die elektromagnetische Feldstärke in der Nähe des Querarms ist am höchsten, wenn ein Blitz in den Querarm einschlägt. (2) Mit zunehmendem Erdungswiderstand, Die Übergangsspannung an jedem Teil des Mastturms steigt deutlich an, und die Dämpfungsrate des Übergangsstroms nimmt ab, Dadurch erhöht sich das Risiko eines Isolationsüberschlags. (3) Das vorübergehende elektromagnetische Feld um den Mastturm herum nimmt mit zunehmender Entfernung exponentiell ab, und die elektromagnetische Feldstärke im gleichen Abstand ist in Richtung des Blitzeinschlags am größten. (4) Die Simulationsergebnisse stimmen gut mit den experimentellen Ergebnissen überein, mit einem Fehler von weniger als 8%, welches die Zuverlässigkeit des etablierten Finite-Elemente-Modells überprüft. Diese Studie liefert eine theoretische Grundlage und technische Unterstützung für die Optimierung des Blitzschutzdesigns, Isolationskoordination, und sicheren Betrieb von Masttürmen für 500-kV-Übertragungsleitungen.

Schlüsselwörter: 500kV-Übertragungsleitung; Mastturm; Blitzimpuls-Vollwelle; elektromagnetische Transiente; Finite-Elemente-Simulation; experimentelle Überprüfung

Mit der rasanten Entwicklung der Energiewirtschaft, 500kV-Hochspannungsübertragungsleitungen sind zu einem wichtigen Bestandteil des nationalen Stromnetzes geworden, Übernahme der wichtigen Aufgabe der Energieübertragung über große Entfernungen und große Kapazitäten. Der sichere und stabile Betrieb von 500-kV-Übertragungsleitungen steht in direktem Zusammenhang mit der Zuverlässigkeit des gesamten Stromsystems und dem normalen Betrieb der gesellschaftlichen Produktion und des Lebens. jedoch, Blitzeinschläge gehören zu den größten Naturkatastrophen, die den sicheren Betrieb von Übertragungsleitungen gefährden. Laut Statistik, Blitzbedingte Störungen machen mehr als aus 40% der Gesamtfehler von Hochspannungsleitungen, und in einigen blitzgefährdeten Gebieten, dieser Anteil kann sogar mehr als erreichen 60% [1]. Wenn ein Blitz in eine Übertragungsleitung oder einen Mastmast einschlägt, Es entsteht eine starke Blitzimpuls-Vollwelle, Dies wird komplexe elektromagnetische Übergangsphänomene in der Mast-Turm-Struktur induzieren. Diese transienten Phänomene führen zu Überspannung und Überstrom im Mastmast und den daran angeschlossenen Geräten, Dies kann zu einem Isolationsüberschlag führen, Geräteschäden, und sogar Stromausfälle, Dies führt zu enormen wirtschaftlichen Verlusten und sozialen Auswirkungen [2-3].

Als wichtigste Stütz- und Erdungskomponente der Übertragungsleitung, Das elektromagnetische Übergangsverhalten des Mastturms unter Vollwelle des Blitzimpulses ist das Kernthema des Blitzschutzdesigns der Übertragungsleitung. Der Mastturm besteht üblicherweise aus Winkelstahl, Stahlrohr, oder Beton, und seine Struktur ist komplex, mit mehreren Komponenten wie dem Turmkörper, Querarm, Isolatorschnur, und Erdungsgerät. Wenn der Blitz einschlägt, Der elektromagnetische Übergangsprozess des Mastturms wird von vielen Faktoren beeinflusst, wie zum Beispiel die Blitzschlagposition, Blitzstromparameter, Erdungswiderstand, und Mastturmstruktur [4]. Deshalb, Eingehende Untersuchung der elektromagnetischen Übergangseigenschaften von 500-kV-Mastentürmen unter Vollwelle des Blitzimpulses, Beherrschung des Verteilungsgesetzes der Übergangsspannung, Strom, und elektromagnetisches Feld, und die Aufklärung des Einflusses verschiedener Faktoren auf das Einschwingverhalten sind für die Optimierung der Blitzschutzauslegung von Masten von großer Bedeutung, Verbesserung des Isolationskoordinationsniveaus des Energiesystems, und Gewährleistung des sicheren und stabilen Betriebs von 500-kV-Übertragungsleitungen.

In den vergangenen Jahren, mit der kontinuierlichen Verbesserung der Computersimulationstechnologie und der experimentellen Testtechnologie, Die Forschung zu den elektromagnetischen Übergangseigenschaften von Energieanlagen unter Blitzimpulsen hat große Fortschritte gemacht. jedoch, aufgrund der komplexen Struktur von 500-kV-Mastmasten und der starken Zufälligkeit von Blitzeinschlägen, Bei der Erforschung der elektromagnetischen Übergangseigenschaften von Masttürmen sind noch viele Probleme zu lösen: (1) Die bestehende Forschung konzentriert sich hauptsächlich auf die Blitzschutzleistung der gesamten Übertragungsleitung, und die Forschung zum elektromagnetischen Übergangsverhalten des Mastturms selbst ist nicht tiefgreifend genug; (2) Der Einfluss unterschiedlicher Blitzeinschlagpositionen und Erdungswiderstandswerte auf die elektromagnetischen Übergangseigenschaften des Mastmastes wurde nicht systematisch untersucht; (3) Die Genauigkeit des Simulationsmodells muss durch zuverlässigere experimentelle Daten überprüft werden. Deshalb, Es ist notwendig, eine umfassende und eingehende Studie über die elektromagnetischen Übergangseigenschaften von 500-kV-Übertragungsleitungsmasten unter Blitzimpuls-Vollwelle durchzuführen.

Ausländische Wissenschaftler haben bereits früher zahlreiche Untersuchungen zum Blitzschutz von Übertragungsleitungen und zu den elektromagnetischen Übergangseigenschaften von Mastmasten durchgeführt. In den 1970er Jahren, Wissenschaftler wie Wagner schlugen erstmals die Wanderwellentheorie der Blitzüberspannung vor, die eine theoretische Grundlage für die Untersuchung elektromagnetischer Transienten von Masttürmen legte [5]. Mit der Entwicklung der Computertechnologie, Finite-Elemente-Simulationsmethoden werden häufig bei der Untersuchung elektromagnetischer Transienten von Masttürmen eingesetzt. Beispielsweise, D’Alessandro et al. erstellte mithilfe der COMSOL Multiphysics-Software ein zweidimensionales Finite-Elemente-Modell eines Übertragungsleitungsmastturms, simulierte den elektromagnetischen Übergangsprozess unter Blitzimpuls, und analysierte das Verteilungsgesetz von transienter Spannung und Strom [6]. Petrache et al. untersuchte den Einfluss von Blitzstromparametern auf das elektromagnetische Übergangsverhalten von Masttürmen durch Simulation und Experiment, und schlug ein Optimierungsschema für die Blitzschutzkonstruktion von Masttürmen vor [7]. In Ergänzung, Ausländische Wissenschaftler haben auch umfangreiche Untersuchungen zur Erdungsleistung von Mastmasten unter Blitzimpulsen durchgeführt, und untersuchte den Einfluss des Erdungswiderstands und der Erdungsgitterstruktur auf das Einschwingverhalten [8-9].

Die inländische Forschung zu den elektromagnetischen Übergangseigenschaften von Mastmasten von 500-kV-Übertragungsleitungen unter Blitzimpulsen hat sich in den letzten Jahren rasant entwickelt. Viele Universitäten und Forschungseinrichtungen haben auf diesem Gebiet intensiv geforscht. Beispielsweise, Wang et al. erstellte mithilfe der ANSYS-Software ein dreidimensionales Finite-Elemente-Modell eines 500-kV-Winkelstahlmastturms, simulierte den Übergangsprozess des Blitzimpulses, und analysierte die Verteilung des transienten elektromagnetischen Feldes um den Mastturm [10]. Li et al. baute ein verkleinertes experimentelles Modell eines Mastturms, Blitzimpuls-Vollwellentests durchgeführt, und untersuchte die transienten Spannungsreaktionseigenschaften des Mastturms bei verschiedenen Blitzeinschlagpositionen [11]. Zhang et al.. untersuchte den Einfluss des Erdungswiderstands auf das elektromagnetische Übergangsverhalten von 500-kV-Mastmasten durch Simulation und Experiment, und schlug eine Methode zur Reduzierung des Erdungswiderstands vor, um die Blitzschutzleistung zu verbessern [12]. jedoch, Es gibt immer noch einige Mängel in der bestehenden inländischen Forschung: (1) Das Simulationsmodell ist nicht detailliert genug, und der Einfluss einiger feiner Strukturen des Mastturms (wie zum Beispiel die Verbindung zwischen Winkelstählen und dem Isolatorstrang) auf das Einschwingverhalten wird nicht berücksichtigt; (2) Die Systematik der experimentellen Forschung ist nicht stark, und die Verifizierung des Simulationsmodells ist nicht umfassend; (3) Die Forschung zum elektromagnetischen transienten Kopplungsmechanismus zwischen Mastmast und Leiter ist nicht tiefgreifend genug.

Die Hauptziele dieses Papiers sind: (1) Ausarbeitung der theoretischen Grundlagen der elektromagnetischen Übergangseigenschaften von 500-kV-Übertragungsleitungsmasttürmen unter Blitzimpuls-Vollwelle, einschließlich der Eigenschaften von Blitzimpuls-Vollwellen, das Gesetz der elektromagnetischen Feldverteilung, und der transiente Reaktionsmechanismus; (2) Erstellung eines hochpräzisen dreidimensionalen Finite-Elemente-Modells eines 500-kV-Winkelstahlmastturms, und simulieren Sie den elektromagnetischen Übergangsprozess unter der Vollwelle eines Blitzimpulses; (3) Analyse der Verteilungseigenschaften von transienten Spannungen, Übergangsstrom, und transientes elektromagnetisches Feld des Mastturms unter verschiedenen Einflussfaktoren (Blitzschlagposition, Erdungswiderstand); (4) Bau eines verkleinerten experimentellen Modells des Mastturms, Führen Sie Blitzimpuls-Vollwellentests durch, und überprüfen Sie die Richtigkeit des Simulationsmodells; (5) Auf der Grundlage der Forschungsergebnisse sollen Optimierungsvorschläge für die Blitzschutzkonstruktion von 500-kV-Übertragungsleitungsmasten vorgelegt werden.

Der Forschungsumfang dieser Arbeit umfasst: (1) Der 500-kV-Winkelstahlmastturm, der häufig im Maschinenbau verwendet wird; (2) Die Blitzimpuls-Vollwelle mit Parametern von 1,2/50μs (Frontzeit/Halbzeit) Dies entspricht der IEC-Norm; (3) Drei typische Blitzeinschlagpositionen: Spitze des Turms, Querarm, und Dirigent; (4) Vier typische Erdungswiderstandswerte: 5Oh, 10Oh, 15Oh, und 20Ω; (5) Die elektromagnetischen Übergangseigenschaften des Mastturms, einschließlich transienter Spannung, Übergangsstrom, und transiente elektromagnetische Feldverteilung.

Dieses Papier ist in sechs Kapitel unterteilt. Kapitel 1 ist die Einleitung, in dem auf den Forschungshintergrund und die Bedeutung eingegangen wird, fasst den Forschungsstand im In- und Ausland zusammen, klärt die Forschungsziele und den Umfang, und stellt den Aufbau der Arbeit vor. Kapitel 2 stellt die theoretischen Grundlagen elektromagnetischer Transienten unter Blitzimpulsen vor, einschließlich der Eigenschaften von Blitzimpuls-Vollwellen, die grundlegende Theorie elektromagnetischer Transienten, und der transiente Reaktionsmechanismus von Mastturmstrukturen. Kapitel 3 beschreibt die Erstellung des Finite-Elemente-Simulationsmodells des 500-kV-Mastturms, einschließlich der Modellvereinfachung, Materialparameter, Randbedingungen, und Belastung von Blitzimpuls-Vollwellen. Kapitel 4 analysiert die Simulationsergebnisse der elektromagnetischen Transienteneigenschaften des Mastturms unter verschiedenen Einflussfaktoren. Kapitel 5 stellt den Entwurf und die Implementierung des experimentellen Modells im reduzierten Maßstab vor, und verifiziert die Simulationsergebnisse durch experimentelle Tests. Kapitel 6 ist der Schluss und Ausblick, Darin werden die wichtigsten Forschungsergebnisse zusammengefasst, unterbreitet Optimierungsvorschläge für die Blitzschutzauslegung von 500-kV-Mastmasten, und freut sich auf die zukünftige Forschungsrichtung.

Ein Blitzimpuls ist eine Art vorübergehende Überspannung mit kurzer Dauer und hoher Amplitude. Die Vollwelle des Blitzimpulses wird üblicherweise durch zwei Parameter definiert: Frontzeit (T1) und Halbzeit (T2). Laut IEC 60060-1 Standard, Die Standard-Blitzimpuls-Vollwelle hat eine Frontzeit von 1,2 μs (Toleranz ±30 %) und eine Halbspitzenzeit von 50μs (Toleranz ±20 %), was mit 1,2/50μs aufgezeichnet wird [13]. Die Wellenform der Standard-Blitzimpuls-Vollwelle ist in der Abbildung dargestellt 1.

Der mathematische Ausdruck der Standard-Blitzimpuls-Vollwelle kann durch die doppelte Exponentialfunktion beschrieben werden [14]:

Woher: \( Äh \) ist der Spitzenwert der Blitzstoßspannung; \( \tau_1 \) ist die Frontzeitkonstante, was die Steilheit der Wellenfront bestimmt; \( \tau_2 \) ist die Schwanzzeitkonstante, was die Dauer des Wellenschweifs bestimmt; \( t \) ist die Zeit.

Der Spitzenwert der durch natürliche Blitze erzeugten Blitzstoßspannung kann Hunderte Kilovolt bis Millionen Kilovolt erreichen, und der Spitzenwert des Blitzstroms kann mehrere zehn Kiloampere bis Hunderte Kiloampere erreichen. Für 500-kV-Übertragungsleitungen, Die Blitzstoßspannung beträgt üblicherweise 1425 kV, die entsprechend den Isolationskoordinationsanforderungen des Energiesystems bestimmt wird [15]. Wenn es zu einem Blitzeinschlag kommt, Die Vollwelle des Blitzimpulses wird durch den Einschlagpunkt in den Mastturm eingekoppelt, und dann entlang des Turmkörpers bis zum Boden verteilt, das Auslösen komplexer elektromagnetischer Übergangsphänomene.

Zusätzlich zur standardmäßigen 1,2/50μs-Vollwelle, In der Natur gibt es auch Blitzimpulse mit steiler Front und Blitzimpulse mit langem Schwanz. Der Blitzimpuls mit steiler Front hat eine kürzere Frontzeit (weniger als 1μs) und eine höhere Wellenfrontsteilheit, Dies hat einen größeren Einfluss auf die Isolierung des Mastturms. Der Long-Tail-Blitzimpuls hat eine längere Halbwertszeit (mehr als 50μs), Dies kann zu kumulativen Schäden an der Ausrüstung führen. jedoch, Die standardmäßige 1,2/50μs-Blitzimpuls-Vollwelle ist am repräsentativsten, Daher konzentriert sich dieser Artikel auf die elektromagnetischen Übergangseigenschaften des Mastturms unter dieser Wellenform.

Der elektromagnetische Übergangsprozess des Mastturms unter Blitzimpuls ist ein komplexes Problem der elektromagnetischen Feldkopplung, was den Maxwell-Gleichungen folgt [16]. Maxwells Gleichungen sind die Grundgleichungen, die das elektromagnetische Feld beschreiben, einschließlich des Gaußschen Gesetzes für Elektrizität, Gaußsches Gesetz für Magnetismus, Faradaysches Gesetz der elektromagnetischen Induktion, und Ampère-Maxwell-Gesetz. Die Differentialform der Maxwell-Gleichungen ist wie folgt:

Woher: \( \vec{D} \) ist der elektrische Verschiebungsvektor; \( \rho_v \) ist die Volumenladungsdichte; \( \vec{B} \) ist die magnetische Induktionsintensität; \( \vec{E} \) ist die elektrische Feldstärke; \( \vec{H} \) ist die magnetische Feldstärke; \( \vec{J} \) ist die Stromdichte; \( t \) ist die Zeit.

In der elektromagnetischen Transientenanalyse des Mastturms, Die Mast-Turm-Struktur wird üblicherweise als Leiter betrachtet, und das umgebende Medium ist Luft. Die konstitutiven Beziehungen des Leiters und der Luft sind wie folgt:

Woher: \( \Varepsilon \) ist die Permittivität; \( \In \) ist die Durchlässigkeit; \( \Sigma \) ist die Leitfähigkeit.

Beim Blitzimpuls wird die Vollwelle in den Mastturm eingekoppelt, Im Turmkörper wird ein zeitlich veränderlicher Strom erzeugt, Dadurch wird ein zeitlich veränderliches elektromagnetisches Feld um den Mastturm herum angeregt. Das zeitlich veränderliche elektromagnetische Feld induziert Wirbelströme im Leiter des Mastturms, und es wird eine elektromagnetische Kopplung zwischen dem Turmkörper geben, Querarm, Isolatorschnur, und Dirigent. Die elektromagnetische Übergangsreaktion des Mastturms ist das Ergebnis der Wechselwirkung zwischen den eingespeisten Blitzimpulsen, das elektromagnetische Feld, und die Mastturmstruktur.

Die Mastturmstruktur ist eine komplexe räumliche Fachwerkstruktur, die aus mehreren Winkelstählen besteht, die durch Bolzen verbunden sind. Wenn der Blitz in den Mastturm einschlägt, Der Übergangsreaktionsmechanismus des Mastturms umfasst hauptsächlich die folgenden Aspekte:

(1) Spannungs- und Stromverteilungsmechanismus: Die vom Einschlagpunkt eingespeiste Blitzstoßspannung wird entlang des Turmkörpers verteilt. Aufgrund der verteilten Kapazität und Induktivität des Turmkörpers, Spannung und Strom haben während des Ausbreitungsprozesses einen Wanderwelleneffekt. Der Wellenwiderstand des Turmkörpers ist ein wichtiger Parameter, der die Spannungs- und Stromverteilung beeinflusst. Der Wellenwiderstand des Winkelstahlmastmastes liegt normalerweise zwischen 100 Ω und 300 Ω, was mit der Querschnittsfläche des Turmkörpers zusammenhängt, der Abstand zwischen Winkelstählen, und die Höhe des Turms [17].

(2) Kopplungsmechanismus für elektromagnetische Felder: Der zeitlich veränderliche Strom im Turmkörper erzeugt ein zeitlich veränderliches elektromagnetisches Feld um den Mastturm. Das elektromagnetische Feld induziert Spannung und Strom in den angrenzenden Leitern und Metallkomponenten, Das ist der elektromagnetische Induktionseffekt. Gleichzeitig, Das elektromagnetische Feld wird auch mit der Erdungsvorrichtung des Mastturms interagieren, Auswirkungen auf den Erdungsstrom und die Erdungsspannung haben [18].

(3) Isolationsreaktionsmechanismus: Der Isolatorstrang zwischen Mastmast und Leiter ist eine wichtige Isolationskomponente. Unter Einwirkung von Blitzimpulsen Überspannung, Der Isolatorstrang trägt eine hohe Übergangsspannung. Wenn die transiente Spannung die Isolationsfestigkeit des Isolatorstrangs überschreitet, Es kommt zu einem Isolationsüberschlag, Dies führt zu einem Kurzschluss zwischen Leiter und Mast [19].

(4) Erdungsreaktionsmechanismus: Die Erdungsvorrichtung des Mastmastes dient dazu, den Blitzstrom in den Boden zu leiten und die Erdungsspannung zu reduzieren. Unter der Wirkung eines Blitzimpulses, Der Erdungswiderstand des Erdungsgeräts weist vorübergehende Eigenschaften auf. Aufgrund des Skin-Effekts und der Ionisierung des Bodens, Der vorübergehende Erdungswiderstand ist normalerweise kleiner als der stationäre Erdungswiderstand, aber das Änderungsgesetz ist komplex [20]. Die Erdungsreaktion wirkt sich direkt auf die Dämpfungsrate des Blitzstroms und die Verteilung der Übergangsspannung am Mastmast aus.

Zusammenfassend, Die elektromagnetische Übergangsreaktion des Mastturms auf einen Blitzimpuls ist ein umfassendes Ergebnis mehrerer Mechanismen wie Spannungs- und Stromverteilung, elektromagnetische Feldkopplung, Isolationsreaktion, und Erdungsreaktion. Genaue Analyse der elektromagnetischen Übergangseigenschaften des Mastturms, Es ist notwendig, diese Mechanismen umfassend zu berücksichtigen und ein vernünftiges mathematisches Modell und Simulationsmodell zu erstellen.

Der in dieser Arbeit untersuchte 500-kV-Winkelstahlmastturm ist ein typischer Hochspannungsmastturm, mit einer Gesamthöhe von 45m, eine Grundbreite von 8m, und einer Traversenlänge von 12m. Der Turmkörper besteht aus Q355-Winkelstählen, mit unterschiedlichen Querschnittsgrößen in unterschiedlichen Höhen. Der Querarm besteht ebenfalls aus Q355-Winkelstählen, und der Isolatorstrang besteht aus glasfaserverstärktem Kunststoff. Aufgrund der komplexen Struktur des Mastturms, Es ist notwendig, das Modell während des Finite-Elemente-Modellierungsprozesses zu vereinfachen, um die Berechnungseffizienz zu verbessern und die Berechnungsgenauigkeit sicherzustellen.

Die wichtigsten Vereinfachungsmaßnahmen sind folgende: (1) Ignorieren Sie die Schraubverbindungen zwischen den Winkelstählen, und gehen davon aus, dass die Verbindungen starr sind; (2) Vereinfachen Sie den Isolatorstrang als zylindrischen Isolator mit dem gleichen äquivalenten Durchmesser und der gleichen Länge; (3) Ignorieren Sie die kleinen Komponenten wie die Turmfußplatte und die Kabelklemme, die wenig Einfluss auf das elektromagnetische Einschwingverhalten haben; (4) Das Erdungsgerät wird vereinfacht als horizontales Erdungsgitter mit einer Länge von 20 m dargestellt, eine Breite von 20m, und eine Vergrabungstiefe von 0,8 m, und der Erdungsleiter ist ein Rundstahl mit einem Durchmesser von 12 mm.

Basierend auf den oben genannten Vereinfachungsmaßnahmen, Das dreidimensionale geometrische Modell des 500-kV-Mastturms wird mit der ANSYS DesignModeler-Software erstellt. Das geometrische Modell umfasst den Turmkörper, Querarm, Isolatorschnur, Dirigent, und Erdungsgerät. Der Leiter ist ein 500-kV-Wechselstrom-Übertragungsleiter mit einem Durchmesser von 25 mm. Das Modell ist in der Abbildung dargestellt 2.

Zu den Hauptmaterialien des Mastturmmodells gehört Q355-Stahl (Turmkörper, Querarm, Erdungsleiter), glasfaserverstärkter Kunststoff (Isolatorschnur), Luft (umgebendes Medium), und Boden (Erdungsmedium). Die Materialparameter sind in der Tabelle aufgeführt 1.

Material	Leitfähigkeit σ (S/m)	Permittivität ε (F/m)	Permeabilität μ (Hm)	Dichte ρ (kg/m³)
Q355 Stahl	5.8×10⁶	8.85×10⁻¹²	4π×10⁻⁷	7850
Glasfaserverstärkter Kunststoff	1×10⁻¹²	3.54×10⁻¹¹	4π×10⁻⁷	1800
Luft	1×10⁻¹⁵	8.85×10⁻¹²	4π×10⁻⁷	1.29
Boden	0.01	1.77×10⁻¹⁰	4π×10⁻⁷	1800

Es ist zu beachten, dass die Leitfähigkeit des Bodens von Faktoren wie der Bodenart beeinflusst wird, Feuchtigkeitsgehalt, und Temperatur. In diesem Papier, die Leitfähigkeit des Bodens wird angenommen als 0.01 S/m, Dies ist der Durchschnittswert des üblicherweise im Ingenieurwesen verwendeten Lehmbodens [21]. Die Permittivität des glasfaserverstärkten Kunststoffs beträgt 4 mal so viel wie Luft, die anhand der vom Hersteller angegebenen Materialparameter bestimmt wird.

Die Netzgenerierung ist ein wichtiger Schritt in der Finite-Elemente-Simulation, Dies wirkt sich direkt auf die Berechnungsgenauigkeit und Berechnungseffizienz aus. Die Netzgenerierung des Mast-Turm-Modells erfolgt mit der ANSYS Meshing-Software. Angesichts der komplexen Struktur des Mastturms und der hohen Anforderungen an die Berechnungsgenauigkeit für das elektromagnetische Feld in der Nähe des Turmkörpers, Die folgenden Netzgenerierungsstrategien werden übernommen:

(1) Verwenden Sie für den Turmkörper ein Tetraedernetz, Querarm, Isolatorschnur, Dirigent, und Erdungsgerät, die sich an die komplexe geometrische Form anpassen können; (2) Verwenden Sie für die Luft- und Bodenbereiche ein Hexaedernetz, was eine höhere Berechnungsgenauigkeit und Effizienz aufweist; (3) Führen Sie eine Netzverfeinerung für die Regionen mit großem elektromagnetischem Feldgradienten durch, wie zum Beispiel der Einschlagpunkt eines Blitzes, die Verbindung zwischen Turmkörper und Querarm, und das Erdungsgitter; (4) Kontrollieren Sie die maximale Maschenweite: Die maximale Maschenweite des Turmkörpers und des Querarms beträgt 0,5 m, Die maximale Maschenweite des Isolatorstrangs und des Leiters beträgt 0,2 m, Die maximale Maschenweite des Erdungsgitters beträgt 0,3 m, und die maximale Maschenweite der Luft- und Bodenbereiche beträgt 2 m.

Nach der Netzgenerierung, Die Gesamtzahl der Netzelemente des Modells beträgt 1,256,800, und die Gesamtzahl der Knoten beträgt 2,345,600. Die Netzqualität wird überprüft, und das durchschnittliche Seitenverhältnis beträgt 1.8, welches die Anforderungen der Finite-Elemente-Berechnung erfüllt.

3.4.1 Randbedingungen

Die Randbedingungen des Simulationsmodells werden wie folgt festgelegt: (1) Die Fernfeldgrenze wird für die Luftregion festgelegt. Die Fernfeldgrenze ist eine nicht reflektierende Grenze, Dadurch kann die unendliche Ausdehnung der Luft simuliert und die Reflexion elektromagnetischer Wellen an der Grenze vermieden werden, Auswirkungen auf die Simulationsergebnisse haben; (2) Die Bodengrenze wird für die Bodenregion festgelegt. Die Erdungsgrenze wird als perfekte Leitergrenze festgelegt, vorausgesetzt, dass der Boden unendlich tief ist, und die elektromagnetischen Wellen werden vollständig vom Boden absorbiert; (3) Die Symmetriegrenze ist nicht festgelegt, denn der Blitzeinschlag ist eine asymmetrische Belastung, und das elektromagnetische Übergangsverhalten des Mastturms ist ebenfalls asymmetrisch.

3.4.2 Laden der Einstellungen

Am Einschlagpunkt wird die Blitzimpuls-Vollwelle als Spannungsquelle belastet. Entsprechend dem Forschungsumfang dieser Arbeit, Es werden drei typische Blitzeinschlagpositionen ausgewählt: (1) Spitze des Turms: Die Spannungsquelle wird am obersten Knoten des Turmkörpers geladen; (2) Querarm: Die Spannungsquelle wird am Endknoten des Querarms geladen; (3) Dirigent: Die Spannungsquelle wird am Mittelknoten des Leiters belastet.

Die Parameter der Blitzimpuls-Vollwelle werden gemäß IEC eingestellt 60060-1 Standard: Frontzeit 1,2μs, Halbspitzenzeit 50μs, und Spitzenspannung 1425 kV (der Blitzstoßspannungspegel von 500-kV-Übertragungsleitungen). Die Spannungswellenform wird mithilfe der doppelten Exponentialfunktion in der ANSYS Maxwell-Software generiert, und der Zeitschritt ist auf 0,01 μs eingestellt, um sicherzustellen, dass der Übergangsprozess genau erfasst wird. Die Simulationszeit ist auf 200μs eingestellt, die den gesamten Prozess der Blitzimpuls-Vollwelle vom Anstieg bis zum Abklingen abdeckt.

In Ergänzung, Der Erdungswiderstand wird durch Hinzufügen einer Widerstandsgrenze am Erdungsgitter simuliert. Vier verschiedene Erdungswiderstandswerte (5Oh, 10Oh, 15Oh, und 20Ω) sollen den Einfluss des Erdungswiderstands auf das elektromagnetische Übergangsverhalten des Mastturms untersuchen.

Die Simulationsrechnung wird mit dem transienten elektromagnetischen Feldmodul der ANSYS Maxwell-Software durchgeführt. Der Löser ist auf den Zeitbereichslöser eingestellt, welches zur Simulation des transienten elektromagnetischen Feldes mit zeitlich veränderlichen Eigenschaften geeignet ist. Die Berechnungsmethode ist die Finite-Elemente-Methode, wodurch das Lösungsgebiet in eine große Anzahl finiter Elemente diskretisiert wird, und löst die Maxwell-Gleichungen in jedem Element, um die Verteilung des elektromagnetischen Feldes zu erhalten.

Während des Berechnungsprozesses, Folgende Parameter werden eingestellt: (1) Die Anfangsbedingung ist Null, das ist, Die anfängliche elektrische Feldstärke und die magnetische Feldstärke im Lösungsbereich sind Null; (2) Das Konvergenzkriterium ist auf 1×10⁻⁶ eingestellt, was die Berechnungsgenauigkeit gewährleistet; (3) Die Hardwarebeschleunigung ist aktiviert, Verwendung der GPU zur Beschleunigung der Berechnung, was die Berechnungseffizienz verbessert.

Nach der Simulationsrechnung, die Übergangsspannung, Übergangsstrom, Die transiente elektromagnetische Feldverteilung jedes Teils des Mastturms zu unterschiedlichen Zeiten kann über das Nachverarbeitungsmodul der ANSYS Maxwell-Software ermittelt werden.

Zahl 3 zeigt die transiente Spannungswellenform verschiedener Teile des Mastturms, wenn ein Blitz in die Turmspitze einschlägt (Der Erdungswiderstand beträgt 10 Ω). Es ist aus der Abbildung ersichtlich 3 dass die Übergangsspannung jedes Teils des Mastturms mit dem Anstieg der Blitzimpuls-Vollwelle schnell ansteigt, erreicht den Spitzenwert bei etwa 1,2μs, und nimmt dann mit dem Abklingen des Wellenschweifs allmählich ab.

Die Spitzenwerte der Übergangsspannung an verschiedenen Teilen sind wie folgt: Die Spitze des Turms ist 1425 kV (gleich dem Scheitelwert der belasteten Blitzstoßspannung), die Mitte des Turmkörpers (22.5m Höhe) beträgt 785 kV, die Unterseite des Turmkörpers (0m Höhe) beträgt 125 kV, Das Ende des Querarms beträgt 650 kV, und der Isolatorstrang beträgt 580 kV. Die Übergangsspannung nimmt von der Turmspitze zur Turmunterseite allmählich ab, Dies liegt daran, dass der Turmkörper einen bestimmten Wellenwiderstand aufweist, und die Blitzstoßspannung wird während des Ausbreitungsprozesses entlang des Turmkörpers gedämpft.

Die Übergangsspannung am Isolatorstrang ist die Spannung zwischen dem Querarm und dem Leiter. Wenn der Blitz in die Turmspitze einschlägt, Der Querarm steht unter einer hohen Übergangsspannung, während der Leiter nicht direkt vom Blitz getroffen wird, Die Übergangsspannung am Isolatorstrang ist also die Differenz zwischen der Übergangsspannung des Querarms und des Leiters. Der Spitzenwert der Übergangsspannung am Isolatorstrang beträgt 580 kV, Dies ist geringer als die Isolationsfestigkeit des 500-kV-Isolatorstrangs (1425kV), es kommt also zu keinem Isolationsüberschlag.

Zahl 4 zeigt die transiente Stromwellenform verschiedener Teile des Mastturms, wenn ein Blitz die Spitze des Turms einschlägt (Der Erdungswiderstand beträgt 10 Ω). Der Übergangsstrom jedes Teils des Mastturms nimmt mit dem Anstieg der Blitzimpuls-Vollwelle ebenfalls schnell zu, erreicht den Spitzenwert bei etwa 1,5μs, und zerfällt dann allmählich.

Die Spitzenwerte des Übergangsstroms an verschiedenen Teilen sind wie folgt: Die Spitze des Turms beträgt 14,25 kA, In der Mitte des Turmkörpers beträgt der Strom 12,8 kA, Die Unterseite des Turmkörpers beträgt 11,5 kA, und das Erdungsnetz beträgt 11,5 kA. Der Übergangsstrom nimmt von der Turmspitze zur Turmunterseite leicht ab, Dies liegt daran, dass ein kleiner Teil des Stroms durch die verteilte Kapazität des Turmkörpers zur Erde abgeleitet wird. Der Übergangsstrom des Erdungsgitters ist gleich dem Übergangsstrom am Boden des Turmkörpers, Dies bedeutet, dass der gesamte Strom am Boden des Turmkörpers über das Erdungsgitter in den Boden eingespeist wird.

Die Wellenform des Übergangsstroms unterscheidet sich geringfügig von der der Übergangsspannung. Der Spitzenzeitpunkt des Übergangsstroms liegt später als der der Übergangsspannung, Dies liegt daran, dass die Induktivität des Turmkörpers und des Erdungsgitters dazu führt, dass der Strom hinter der Spannung zurückbleibt.

Zahl 5 zeigt die Verteilung des transienten elektromagnetischen Feldes um den Mastturm bei t=1,2μs (Spitzenzeit der Übergangsspannung) wenn ein Blitz in die Turmspitze einschlägt (Der Erdungswiderstand beträgt 10 Ω). Die Intensität des elektromagnetischen Feldes ist in der Nähe der Turmspitze am höchsten, mit einem Spitzenwert von 5,8×10⁵ V/m (elektrische Feldstärke) und 1,5×10³ A/m (magnetische Feldstärke).

Das vorübergehende elektromagnetische Feld um den Mastturm herum nimmt mit zunehmender Entfernung exponentiell ab. Wenn der Abstand vom Turmkörper 5 m beträgt, die elektrische Feldstärke beträgt 1,2×10⁵ V/m, und die magnetische Feldstärke beträgt 3,2×10² A/m; wenn der Abstand 10 m beträgt, die elektrische Feldstärke beträgt 2,8×10⁴ V/m, und die magnetische Feldstärke beträgt 7,5×10¹ A/m; wenn die Entfernung 20 m beträgt, die elektrische Feldstärke beträgt 6,8×10³ V/m, und die magnetische Feldstärke beträgt 1,8×10¹ A/m. Dieses Verteilungsgesetz steht im Einklang mit den Eigenschaften der elektromagnetischen Nahfeldwelle, die durch den Übergangsstrom erzeugt wird.

In Ergänzung, Die Intensität des elektromagnetischen Feldes weist eine offensichtliche Richtwirkung auf. Die Intensität des elektromagnetischen Feldes in Richtung des Blitzeinschlags (vertikale Richtung) ist höher als in horizontaler Richtung, Dies liegt daran, dass der Übergangsstrom im Turmkörper hauptsächlich vertikal verläuft, und das durch den Vertikalstrom erzeugte elektromagnetische Feld ist in vertikaler Richtung stärker.

Zahl 6 zeigt die transiente Spannungswellenform verschiedener Teile des Mastturms, wenn ein Blitz in den Querarm einschlägt (Der Erdungswiderstand beträgt 10 Ω). Verglichen mit dem Blitzeinschlag an der Spitze des Turms, Die Übergangsspannung des Querarms ist am höchsten, mit einem Spitzenwert von 1425 kV. Die Übergangsspannung an der Spitze des Turms beträgt 980 kV, In der Mitte des Turmkörpers liegen 560 kV an, Die Unterseite des Turmkörpers liegt bei 105 kV, und der Isolatorstrang beträgt 850 kV.

Die Übergangsspannung an der Isolatorkette ist deutlich höher als bei einem Blitzeinschlag in die Turmspitze. Dies liegt daran, dass beim Blitzeinschlag der Querarm auftritt, Der Querarm liegt direkt an der Spitzenspannung des Blitzimpulses, und der Leiter befindet sich in der Nähe des Querarms, Daher ist die Spannungsdifferenz zwischen der Traverse und dem Leiter größer. Der Spitzenwert der Übergangsspannung am Isolatorstrang beträgt 850 kV, was immer noch geringer ist als die Isolationsfestigkeit des Isolatorstrangs, es kommt also zu keinem Isolationsüberschlag. jedoch, wenn die Blitzstoßspannung höher ist oder die Isolationsleistung des Isolatorstrangs nachlässt, Es kann zu einem Isolationsüberschlag kommen.

Zahl 7 zeigt die transiente Stromwellenform verschiedener Teile des Mastturms, wenn ein Blitz in den Querarm einschlägt (Der Erdungswiderstand beträgt 10 Ω). Der Spitzenwert des Übergangsstroms am Querarm beträgt 14,25 kA, Die Spitze des Turms beträgt 4,8 kA, In der Mitte des Turmkörpers beträgt der Strom 9,5 kA, Der Boden des Turmkörpers beträgt 11,2 kA, und das Erdungsnetz beträgt 11,2 kA.

Verglichen mit dem Blitzeinschlag an der Spitze des Turms, Der Übergangsstrom an der Spitze des Turms ist deutlich kleiner, während der Übergangsstrom in der Mitte des Turmkörpers etwas kleiner ist. Dies liegt daran, dass beim Blitzeinschlag der Querarm auftritt, Der Strom ist in zwei Teile geteilt: ein Teil fließt zur Turmspitze, und der andere Teil fließt zum Boden des Turms. Aufgrund der höheren Wellenimpedanz der Turmspitze, Der größte Teil des Stroms fließt zum Boden des Turms und wird über das Erdungsgitter in den Boden eingespeist.

Zahl 8 zeigt die Verteilung des transienten elektromagnetischen Feldes um den Mastturm bei t=1,2μs, wenn ein Blitz in den Querarm einschlägt (Der Erdungswiderstand beträgt 10 Ω). Die Intensität des elektromagnetischen Feldes ist in der Nähe des Querarms am höchsten, mit einem Spitzenwert von 6,2×10⁵ V/m (elektrische Feldstärke) und 1,6×10³ A/m (magnetische Feldstärke), Das ist höher als bei einem Blitzeinschlag in die Turmspitze.

Auch das vorübergehende elektromagnetische Feld um den Mastturm nimmt mit zunehmender Entfernung exponentiell ab. Wenn der Abstand vom Querarm 5 m beträgt, die elektrische Feldstärke beträgt 1,3×10⁵ V/m, und die magnetische Feldstärke beträgt 3,4×10² A/m; wenn der Abstand 10 m beträgt, die elektrische Feldstärke beträgt 3,0×10⁴ V/m, und die Magnetfeldstärke beträgt 7,8×10¹ A/m. Auch die Richtwirkung des elektromagnetischen Feldes ist offensichtlich, und die elektromagnetische Feldstärke in der Richtung senkrecht zum Querarm ist höher als in anderen Richtungen.

Zahl 9 zeigt die transiente Spannungswellenform verschiedener Teile des Mastturms, wenn ein Blitz in den Leiter einschlägt (Der Erdungswiderstand beträgt 10 Ω). Wenn ein Blitz in den Leiter einschlägt, Die Übergangsspannung des Leiters beträgt 1425 kV, Der Isolatorstrang beträgt 1425 kV (gleich der Spannung des Leiters), Der Querarm ist 575 kV, Die Spitze des Turms ist 480 kV, In der Mitte des Turmkörpers liegen 320 kV an, und die Unterseite des Turmkörpers liegt bei 85 kV.

Die Übergangsspannung am Isolatorstrang ist am höchsten, wenn ein Blitz in den Leiter einschlägt, was dem Scheitelwert der Blitzstoßspannung entspricht. Dies liegt daran, dass der Leiter direkt vom Blitz getroffen wird, und der Isolatorstrang trägt die volle Spannung des Blitzimpulses. Der Spitzenwert der Übergangsspannung am Isolatorstrang beträgt 1425 kV, Dies entspricht der Isolationsfestigkeit des Isolatorstrangs. Zu diesem Zeitpunkt, Der Isolatorstrang befindet sich im kritischen Zustand des Isolationsüberschlags. Wenn die Blitzstoßspannung etwas höher ist, Es kommt zu einem Isolationsüberschlag, Dies führt zu einem Kurzschluss zwischen Leiter und Traverse.

Zahl 10 zeigt die transiente Stromwellenform verschiedener Teile des Mastturms, wenn ein Blitz in den Leiter einschlägt (Der Erdungswiderstand beträgt 10 Ω). Der Spitzenwert des Übergangsstroms am Leiter beträgt 14,25 kA, Der Isolatorstrang beträgt 14,25 kA, Der Querarm hat 12,5 kA, Die Spitze des Turms beträgt 3,2 kA, In der Mitte des Turmkörpers beträgt der Strom 9,8 kA, Der Boden des Turmkörpers beträgt 11,0 kA, und das Erdungsnetz beträgt 11,0 kA.

Wenn ein Blitz in den Leiter einschlägt, Der Strom wird über den Isolatorstrang auf den Querarm übertragen, dann in zwei Teile geteilt: ein Teil fließt zur Turmspitze, und der andere Teil fließt zum Boden des Turms. Der zum Fuß des Turms fließende Strom wird über das Erdungsgitter in den Boden eingespeist. Der Übergangsstrom am Querarm ist etwas kleiner als der am Leiter, Dies liegt daran, dass ein kleiner Teil des Stroms durch die verteilte Kapazität des Querarms an die Luft abgegeben wird.

Zahl 11 zeigt die Verteilung des transienten elektromagnetischen Feldes um den Mastturm bei t=1,2μs, wenn ein Blitz in den Leiter einschlägt (Der Erdungswiderstand beträgt 10 Ω). Die Intensität des elektromagnetischen Feldes ist in der Nähe des Leiters und der Isolatorkette am höchsten, mit einem Spitzenwert von 6,5×10⁵ V/m (elektrische Feldstärke) und 1,7×10³ A/m (magnetische Feldstärke), Dies ist höher als bei einem Blitzeinschlag in die Turmspitze und den Querarm.

Das vorübergehende elektromagnetische Feld um den Mastturm herum nimmt mit zunehmender Entfernung exponentiell ab. Wenn der Abstand vom Leiter 5 m beträgt, die elektrische Feldstärke beträgt 1,4×10⁵ V/m, und die magnetische Feldstärke beträgt 3,6×10² A/m; wenn der Abstand 10 m beträgt, die elektrische Feldstärke beträgt 3,2×10⁴ V/m, und die magnetische Feldstärke beträgt 8,2×10¹ A/m. Das elektromagnetische Feld ist in der Richtung parallel zum Leiter größer als in anderen Richtungen.

Es sollte der Einfluss des Erdungswiderstands auf die elektromagnetischen Übergangseigenschaften des Mastturms untersucht werden, vier verschiedene Erdungswiderstandswerte (5Oh, 10Oh, 15Oh, und 20Ω) ausgewählt sind, und die Blitzeinschlagsposition ist an der Spitze des Turms fixiert. Die Variation des Spitzenwerts der transienten Spannung und des Übergangsstroms an verschiedenen Teilen des Mastmastes mit Erdungswiderstand ist in der Tabelle dargestellt 2.

Erdungswiderstand (Oh)	Spitzentransientenspannung an der Spitze des Turms (kV)	Spitzentransientenspannung am Boden des Turms (kV)	Spitzentransientenstrom an der Spitze des Turms (Die)	Spitzentransientenstrom am Erdungsnetz (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

Es ist aus der Tabelle ersichtlich 2 dass der Spitzenwert der Übergangsspannung an der Turmspitze nicht durch den Erdungswiderstand beeinflusst wird, die immer gleich dem Scheitelwert der belasteten Blitzstoßspannung ist. jedoch, Der Spitzenwert der Übergangsspannung am Fuß des Turms steigt mit zunehmendem Erdungswiderstand deutlich an. Wenn der Erdungswiderstand von 5 Ω auf 20 Ω steigt, Der Spitzenwert der Übergangsspannung am Fuß des Turms steigt von 65 kV auf 245 kV, Eine Zunahme von 277%.

Auch der Spitzenwert des Übergangsstroms an der Turmspitze wird durch den Erdungswiderstand nicht beeinflusst, während der Spitzenwert des Übergangsstroms am Erdungsgitter mit zunehmendem Erdungswiderstand abnimmt. Wenn der Erdungswiderstand von 5 Ω auf 20 Ω steigt, Der Spitzenwert des Übergangsstroms am Erdungsnetz sinkt von 13,8 kA auf 8,5 kA, eine Abnahme von 38.4%. Dies liegt daran, dass die Erhöhung des Erdungswiderstands die Impedanz der Erdungsschleife erhöht, Reduzierung des in den Boden eingespeisten Stroms.

Der Anstieg der Übergangsspannung am Fuß des Mastes und die Abnahme des Übergangsstroms am Erdungsgitter erhöhen das Risiko eines Isolationsüberschlags des Mastmastes und der angeschlossenen Ausrüstung. Deshalb, Die Reduzierung des Erdungswiderstandes ist eine wirksame Maßnahme zur Verbesserung der Blitzschutzleistung des Mastmastes.

Basierend auf der obigen Simulationsanalyse, Die wichtigsten Schlussfolgerungen zu den elektromagnetischen Übergangseigenschaften des 500-kV-Mastturms unter Vollwelle des Blitzimpulses lauten wie folgt:

(1) Die Position des Blitzeinschlags hat einen erheblichen Einfluss auf das elektromagnetische Einschwingverhalten des Mastturms. Wenn ein Blitz in den Leiter einschlägt, Die Übergangsspannung am Isolatorstrang ist am höchsten, das sich im kritischen Zustand des Isolationsüberschlags befindet; wenn ein Blitz in den Querarm einschlägt, Die Intensität des elektromagnetischen Feldes ist in der Nähe des Querarms am höchsten; wenn ein Blitz in die Turmspitze einschlägt, Die transienten Spannungen und Ströme sind an der Spitze des Turms am höchsten.

(2) Die Übergangsspannung des Mastturms nimmt vom Einschlagpunkt bis zur Mastunterseite allmählich ab, und der Übergangsstrom nimmt ebenfalls leicht ab. Das vorübergehende elektromagnetische Feld um den Mastturm herum nimmt mit zunehmender Entfernung exponentiell ab, und hat eine offensichtliche Richtwirkung.

(3) Der Erdungswiderstand hat einen erheblichen Einfluss auf das elektromagnetische Einschwingverhalten des Mastturms. Mit der Erhöhung des Erdungswiderstandes, Die Übergangsspannung am Fuß des Turms steigt deutlich an, und der Übergangsstrom am Erdungsnetz nimmt ab, Dadurch erhöht sich das Risiko eines Isolationsüberschlags.

(4) Der Isolatorstrang trägt die höchste Übergangsspannung, wenn ein Blitz in den Leiter einschlägt, Dies ist die gefährlichste Arbeitsbedingung für den Isolatorstrang. Deshalb, in der Blitzschutzkonstruktion des Mastturms, Besonderes Augenmerk sollte auf den Schutz der Isolatorkette gelegt werden, wenn ein Blitz in den Leiter einschlägt.

Überprüfung der Korrektheit des Finite-Elemente-Simulationsmodells, Basierend auf dem Ähnlichkeitsprinzip wird ein verkleinertes experimentelles Modell des 500-kV-Mastturms gebaut. Das Ähnlichkeitsprinzip erfordert, dass die geometrischen Parameter, Materialparameter, und Belastungsparameter des verkleinerten Modells ähneln denen des Prototyps [22]. Das Maßstabsverhältnis des verkleinerten Modells zum Prototyp wird auf eingestellt 1:20, die sich nach der Größe des Labors und der Kapazität des Blitzimpulsgenerators richtet.

Die geometrischen Parameter des verkleinerten Modells sind wie folgt: Die Gesamthöhe des Turmkörpers beträgt 2,25 m, Die Basisbreite beträgt 0,4 m, Die Länge des Querarms beträgt 0,6 m. Der Turmkörper und der Querarm bestehen aus Q235-Winkelstählen mit einer Querschnittsgröße von 5 mm × 5 mm × 0,5 mm. Der Isolatorstrang besteht aus organischem Glas mit einem Durchmesser von 2 mm und einer Länge von 50 mm. Der Leiter ist ein Kupferdraht mit einem Durchmesser von 1,25 mm. Das Erdungsgerät ist ein horizontales Erdungsgitter mit einer Länge von 1 m, eine Breite von 1m, und eine Vergrabungstiefe von 0,04 m, und der Erdungsleiter ist ein Kupferdraht mit einem Durchmesser von 0,6 mm.

Im Hinblick auf die Anpassung der Materialparameter, nach dem Ähnlichkeitsprinzip, die relative Permittivität, Die relative Permeabilität und Leitfähigkeit des Materials sollte mit dem Prototyp übereinstimmen, um die Ähnlichkeit der elektromagnetischen Eigenschaften sicherzustellen. Der im verkleinerten Modell verwendete Q235-Stahl hat eine Leitfähigkeit von 5,0×10⁶ S/m, was nahe an den 5,8×10⁶ S/m von Q355-Stahl im Prototyp liegt, und der Unterschied liegt innerhalb des akzeptablen Bereichs experimenteller Fehler. Die relative Permittivität von organischem Glas beträgt 3.2, Das liegt in der Nähe des 4.0 aus glasfaserverstärktem Kunststoff im Prototyp, und kann die Simulationsanforderungen für die Isolationsleistung erfüllen. Der im Experiment verwendete Boden ist Lehm mit einer Leitfähigkeit von 0.01 S/m, Dies ist derselbe, der im Simulationsmodell festgelegt wurde.

Zur Lastparameteranpassung, Die auf das verkleinerte Modell angewendete Blitzimpuls-Vollwelle sollte das Spannungsähnlichkeitsverhältnis erfüllen. Entsprechend dem geometrischen Maßstabsverhältnis von 1:20, Das Spannungsskalenverhältnis ist ebenfalls 1:20. Deshalb, Der Spitzenwert der am verkleinerten Modell angelegten Blitzstoßspannung beträgt 1425 kV / 20 = 71,25 kV, und die Wellenformparameter betragen immer noch 1,2/50μs, was den Standardanforderungen entspricht.

Das Versuchssystem besteht im Wesentlichen aus einem Blitzimpulsgenerator, ein verkleinertes Mastturmmodell, ein Messsystem, und ein Erdungssystem, wie in Abbildung 12. Der Blitzimpulsgenerator ist vom Typ GS-100kV, die standardmäßige 1,2/50μs-Blitzimpuls-Vollwellen mit einer einstellbaren Spitzenspannung von erzeugen kann 0 bis 100kV, Erfüllung der experimentellen Belastungsanforderungen.

Das Messsystem umfasst einen Hochspannungsteiler, ein Stromsensor, ein elektromagnetischer Feldsensor, und ein Datenerfassungssystem. Der Hochspannungsteiler ist ein kapazitiver Spannungsteiler mit einem Spannungsteilerverhältnis von 1000:1, mit dem die Übergangsspannung jedes Teils des Mastturms gemessen wird. Der Stromsensor ist eine Rogowski-Spule mit einem Messbereich von 0-20kA und einer Bandbreite von 10Hz-10MHz, mit dem der Übergangsstrom des Turmkörpers und des Erdungsnetzes gemessen wird. Der elektromagnetische Feldsensor ist eine breitbandige elektromagnetische Feldsonde mit einem Messbereich von 1V/m-10⁶ V/m (elektrisches Feld) und 0,1 A/m-10³ A/m (Magnetfeld), mit dem das transiente elektromagnetische Feld um den Mastturm gemessen wird. Das Datenerfassungssystem verwendet ein digitales Oszilloskop mit einer Abtastrate von 1GS/s und einer Speichertiefe von 10M, die die transiente Wellenform des gemessenen Signals genau erfassen kann.

Das Erdungssystem der Versuchsanlage ist unabhängig vom Laborerdungssystem, um gegenseitige Beeinflussung zu vermeiden. Der Erdungswiderstand des Versuchserdungssystems ist einstellbar, und vier Widerstandswerte von 0,25 Ω, 0.5Oh, 0.75Oh, und 1Ω werden entsprechend dem Ähnlichkeitsverhältnis eingestellt (im Einklang mit den 5Ω, 10Oh, 15Oh, und 20Ω im Simulationsmodell). Das Erdungsnetz des Versuchssystems ist mit der Erdungsvorrichtung des verkleinerten Modells verbunden, um sicherzustellen, dass der Blitzstrom reibungslos in den Boden eingespeist werden kann.

Die Versuchsschritte werden gemäß der IEC durchgeführt 60060-1 Norm und die relevanten Anforderungen der Blitzschutzprüfungen von Stromversorgungssystemen, und sind in die folgenden Phasen unterteilt:

(1) Vorbereitung vor dem Experiment: Überprüfen Sie die Integrität des verkleinerten Modells, Stellen Sie sicher, dass die Verbindungen zwischen dem Turmkörper, Querarm, Isolatorschnur, und Dirigent sind zuverlässig, und stellen Sie sicher, dass das Erdungsgerät guten Kontakt zum Boden hat. Kalibrieren Sie das Messsystem, einschließlich des Hochspannungsteilers, Stromsensor, und elektromagnetischer Feldsensor, um die Genauigkeit der Messdaten sicherzustellen. Stellen Sie den Blitzimpulsgenerator so ein, dass er eine Standard-Vollwelle von 1,2/50 μs mit einer Spitzenspannung von 71,25 kV erzeugt.

(2) Experimentelles Laden und Datenerfassung: Führen Sie Experimente unter drei Blitzschlagpositionen durch (Spitze des Turms, Querarm, Dirigent) bzw. vier Erdungswiderstandswerte. Für jede Arbeitsbedingung, Schalten Sie den Blitzimpulsgenerator ein, um die Blitzimpulsvollwelle in den Einschlagspunkt einzuspeisen, und verwenden Sie das Datenerfassungssystem, um die Übergangsspannung zu erfassen, Übergangsstrom, und transiente elektromagnetische Feldsignale jedes Teils des Mastturms. Jeder Arbeitszustand wird wiederholt 5 Zeiten, um den Zufallsfehler des Experiments zu reduzieren, und der Durchschnittswert der 5 Datensätze werden als endgültiges experimentelles Ergebnis verwendet.

(3) Abschluss nach dem Experiment: Schalten Sie die Versuchsgeräte nacheinander aus, Sortieren Sie die gesammelten experimentellen Daten, und ungültige Daten mit offensichtlichen Fehlern beseitigen. Räumen Sie den Versuchsstandort auf und halten Sie die Versuchsausrüstung in gutem Zustand.

Unter der Arbeitsbedingung eines Blitzeinschlags an der Spitze des Turms und eines Erdungswiderstands von 0,5 Ω (entsprechend 10Ω in der Simulation) als Beispiel, Die experimentellen Ergebnisse und Simulationsergebnisse werden verglichen und analysiert. Zahl 13 zeigt den Vergleich der transienten Spannungswellenform in der Mitte des Turmkörpers zwischen Experiment und Simulation. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass die experimentelle Wellenform und die Simulationswellenform den gleichen Variationstrend aufweisen: beide steigen schnell auf den Spitzenwert bei etwa 1,2 μs an, und dann allmählich verfallen. Der durch das Experiment erhaltene Spitzenwert der Übergangsspannung beträgt 39,3 kV, und der durch die Simulation erhaltene Spitzenwert beträgt 41,2 kV. Der relative Fehler ist 4.6%, Das ist weniger als 8%.

Zahl 14 zeigt den Vergleich der transienten Stromwellenform am Erdungsgitter zwischen Experiment und Simulation. Die experimentelle Wellenform und die Simulationswellenform weisen ebenfalls eine gute Konsistenz auf. Die Spitzenzeit des experimentellen Stroms beträgt etwa 1,5 μs, und die Spitzenzeit des Simulationsstroms beträgt ebenfalls etwa 1,5 μs. Der Spitzenwert des experimentellen Stroms beträgt 0,57 kA, und der Spitzenwert des Simulationsstroms beträgt 0,59 kA. Der relative Fehler ist 3.4%, was im akzeptablen Bereich liegt.

Zahl 15 zeigt den Vergleich der elektrischen Feldstärke in 5 m Entfernung vom Turmkörper zwischen dem Experiment und der Simulation. Der experimentelle Spitzenwert der elektrischen Feldstärke beträgt 6,1×10³ V/m, und der simulierte Spitzenwert der elektrischen Feldintensität beträgt 6,4×10³ V/m. Der relative Fehler ist 4.7%, das ist auch weniger als 8%. Auch die Magnetfeldstärke an der gleichen Position weist eine gute Konsistenz auf, mit einem relativen Fehler von 5.2%.

Tabelle 3 zeigt den Vergleich der Spitzenwerte der Übergangsspannung, Übergangsstrom, und elektrische Feldstärke unter verschiedenen Arbeitsbedingungen. Aus der Tabelle ist ersichtlich, dass die relativen Fehler zwischen den experimentellen Ergebnissen und den Simulationsergebnissen unter allen Arbeitsbedingungen geringer sind als 8%, Dies zeigt, dass das in diesem Artikel erstellte Finite-Elemente-Simulationsmodell eine hohe Genauigkeit und Zuverlässigkeit aufweist, und kann den elektromagnetischen Übergangsprozess des 500-kV-Mastturms unter Blitzimpuls-Vollwelle genau simulieren.

Arbeitszustand	Parametertyp	Experimenteller Wert	Simulationswert	Relativer Fehler (%)
Blitzeinschlag oben, R=0,5Ω	Turmmittelspannung (kV)	39.3	41.2	4.6
Blitzeinschlag oben, R=0,5Ω	Erdungsnetzstrom (Die)	0.57	0.59	3.4
Blitzschlag-Querarm, R=0,5Ω	Querarmspannung (kV)	71.3	74.5	4.3
Blitzableiter, R=0,5Ω	Spannung des Isolatorstrangs (kV)	71.2	76.8	7.7
Blitzeinschlag oben, R=1Ω	5m elektrisches Feld (×10³ V/m)	3.2	3.4	5.9

Die Hauptgründe für den geringen Fehler zwischen den experimentellen Ergebnissen und den Simulationsergebnissen sind: (1) Die Vereinfachung des Simulationsmodells, wie zum Beispiel das Ignorieren der Schraubverbindungen und Kleinteile, führt zu geringfügigen Unterschieden zwischen dem Simulationsmodell und der tatsächlichen Struktur; (2) Die Umweltfaktoren im Experiment, wie Luftfeuchtigkeit und Temperatur, haben einen geringen Einfluss auf die elektromagnetische Feldverteilung; (3) Der Messfehler der Versuchsausrüstung selbst. jedoch, Diese Fehler liegen im akzeptablen Bereich der technischen und akademischen Forschung, wodurch die Rationalität und Korrektheit des Simulationsmodells vollständig überprüft wird.

In diesem Papier, Durch die Kombination theoretischer Analysen wird eine umfassende Studie über die elektromagnetischen Übergangseigenschaften von 500-kV-Übertragungsleitungsmasttürmen unter Blitzimpuls-Vollwelle durchgeführt, Finite-Elemente-Simulation, und experimentelle Verifizierung. Die wichtigsten Forschungsergebnisse lauten wie folgt:

(1) Das theoretische System der elektromagnetischen Übergangseigenschaften von 500-kV-Mastentürmen unter Blitzimpulsen wird erstellt. Die Standard-Blitzimpuls-Vollwelle (1.2/50μs) folgt der doppelten Exponentialfunktionsverteilung, und der elektromagnetische Übergangsprozess des Mastturms wird durch die Maxwell-Gleichungen bestimmt. Das Einschwingverhalten des Mastturms ist das Ergebnis der umfassenden Wirkung der Spannungs- und Stromverteilung, elektromagnetische Feldkopplung, Isolationsreaktion, und Erdungsreaktionsmechanismen.

(2) Es wird ein hochpräzises dreidimensionales Finite-Elemente-Simulationsmodell eines 500-kV-Winkelstahlmastturms erstellt. Das Modell berücksichtigt die geometrischen Eigenschaften des Turmkörpers, Querarm, Isolatorschnur, und Erdungsgerät, und stellt die Materialparameter und Randbedingungen genau ein. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass das Modell den elektromagnetischen Übergangsprozess des Mastturms unter Blitzimpuls effektiv erfassen kann.

(3) Die Position des Blitzeinschlags und der Erdungswiderstand sind die Schlüsselfaktoren, die das elektromagnetische Übergangsverhalten des Mastturms beeinflussen. Wenn ein Blitz in den Leiter einschlägt, Der Isolatorstrang trägt die höchste transiente Spannung (1425kV), welches sich im kritischen Überschlagszustand befindet; wenn ein Blitz in den Querarm einschlägt, Die Intensität des elektromagnetischen Feldes ist in der Nähe des Querarms am höchsten (6.2×10⁵ V/m); wenn ein Blitz in die Turmspitze einschlägt, Die transienten Spannungen und Ströme sind an der Spitze des Turms am höchsten. Mit der Erhöhung des Erdungswiderstands von 5 Ω auf 20 Ω, Die Übergangsspannung am Fuß des Turms erhöht sich um 277%, und der Übergangsstrom am Erdungsgitter nimmt um ab 38.4%, was das Risiko eines Isolationsüberschlags deutlich erhöht.

(4) Das transiente elektromagnetische Feld um den Mastturm weist offensichtliche räumliche Verteilungseigenschaften auf. Mit zunehmender Entfernung vom Turmkörper nimmt sie exponentiell ab, und verfügt über eine erhebliche Richtwirkung. Die elektromagnetische Feldstärke in Richtung des Blitzeinschlags ist bei gleichem Abstand am höchsten.

(5) Die experimentellen Verifizierungsergebnisse zeigen, dass der relative Fehler zwischen den experimentellen Ergebnissen und den Simulationsergebnissen kleiner ist als 8%, Dies bestätigt die Zuverlässigkeit und Genauigkeit des Simulationsmodells. Die Forschungsergebnisse liefern eine zuverlässige theoretische und technische Grundlage für die Blitzschutzauslegung von 500-kV-Übertragungsleitungsmasten.

Basierend auf den Forschungsergebnissen, Für die Blitzschutzauslegung von 500-kV-Übertragungsleitungsmasten werden folgende Optimierungsvorschläge gemacht:

(1) Verstärken Sie den Schutz von Isolatorsträngen bei Blitzeinschlägen im Leiter. Es wird empfohlen, Metalloxid-Ableiter an den Isolatorsträngen von 500-kV-Übertragungsleitungsmasten zu installieren, insbesondere in blitzgefährdeten Gebieten. Der Ableiter kann die transiente Überspannung am Isolatorstrang begrenzen, Vermeiden Sie einen Isolationsüberschlag, und schützen Sie den Isolatorstrang und den Leiter.

(2) Reduzieren Sie den Erdungswiderstand des Mastmastes. Ergreifen Sie Maßnahmen wie den Ausbau des Erdungsnetzes, Verlegen horizontaler und vertikaler Erdungselektroden, und Verwendung von Mitteln zur Reduzierung des Erdungswiderstands, um den Erdungswiderstand des Mastmastes auf weniger als 5 Ω zu reduzieren. Dadurch kann die Übergangsspannung an der Unterseite des Turms effektiv reduziert werden, Erhöhen Sie den in den Boden eingespeisten Übergangsstrom, und die Blitzschutzleistung des Mastturms verbessern.

(3) Optimieren Sie die Struktur des Mastturms. Für die Traversen- und Turmoberteile, die einer hohen elektromagnetischen Feldintensität ausgesetzt sind, Erhöhen Sie die Querschnittsfläche des Winkelstahls entsprechend oder verwenden Sie Stahlrohre mit besserer Leitfähigkeit, um den Wellenwiderstand des Turmkörpers zu verringern, Dadurch wird die transiente Spannungs- und Stromverteilung reduziert. Gleichzeitig, Gestalten Sie den Abstand zwischen dem Querarm und dem Leiter sinnvoll, um den Isolationsabstand zu vergrößern.

(4) Stärkung der Blitzschutzüberwachung von Übertragungsleitungen. Installieren Sie Blitzüberwachungsgeräte an wichtigen 500-kV-Übertragungsleitungsmasten, um Blitzschlagparameter in Echtzeit zu überwachen (B. Blitzstromspitze, Wellenform, Schlagposition) und die transiente Reaktion des Mastturms. Dies kann Datenunterstützung für die Optimierung des Blitzschutzdesigns und die Wartung von Übertragungsleitungen liefern.

In diesem Artikel wurden zwar eingehende Untersuchungen zu den elektromagnetischen Übergangseigenschaften von 500-kV-Mastmasten unter Blitzimpuls-Vollwelle durchgeführt, Es gibt noch einige Aspekte, die in Zukunft weiter untersucht werden müssen:

(1) Forschung zu elektromagnetischen Übergangseigenschaften bei nicht standardmäßigen Blitzimpulswellenformen. Natürliche Blitze umfassen Steilfronten, Langschwanz, und Mehrfachblitzimpulse. Zukünftige Forschung sollte sich auf das elektromagnetische Übergangsverhalten von Masttürmen unter diesen nicht standardmäßigen Wellenformen konzentrieren, und die Blitzschutzleistung von Masttürmen umfassend bewerten.

(2) Forschung zum Einfluss komplexer Umweltfaktoren. Die aktuelle Forschung berücksichtigt nicht den Einfluss von Umweltfaktoren wie Regen, Schnee, und Wind auf die elektromagnetischen Übergangseigenschaften des Mastturms. Zukünftige Forschungen sollten ein Simulationsmodell etablieren, das komplexe Umweltfaktoren berücksichtigt, und analysieren Sie den Einfluss dieser Faktoren auf das Einschwingverhalten des Mastturms.

(3) Forschung zur elektromagnetischen transienten Kopplung zwischen Masten und benachbarten Geräten. Der Mastturm der 500-kV-Übertragungsleitung grenzt an Geräte wie Kommunikationstürme und Stromverteilerschränke. Das durch Blitzeinschläge erzeugte elektromagnetische Übergangsfeld kann Kopplungseffekte auf diese benachbarten Geräte haben. Zukünftige Forschungen sollten die elektromagnetische Interferenz zwischen Masten und benachbarten Geräten untersuchen, und entsprechende Anti-Interferenz-Maßnahmen vorschlagen.

(4) Entwicklung intelligenter Blitzschutztechnik für Mastmasten. Kombinieren Sie neue Technologien wie künstliche Intelligenz und Big Data, um ein intelligentes Blitzschutzsystem für Mastmasten von 500-kV-Übertragungsleitungen zu schaffen. Das System kann Blitzeinschläge vorhersagen, Blitzschutzmaßnahmen in Echtzeit anpassen, und die aktive Blitzschutzfähigkeit des Stromsystems verbessern.