Abstracto: Como componente central de las líneas de transmisión de alto voltaje de 500 kV, Las torres de postes tienen la doble función de soportar conductores y poner a tierra.. La caída de rayos es una de las principales amenazas para la operación segura y estable de las líneas de transmisión, y la respuesta transitoria electromagnética de las torres de postes bajo ondas completas del impulso del rayo afecta directamente la coordinación del aislamiento y el diseño de protección contra rayos de todo el sistema eléctrico.. en este papel, Se lleva a cabo un estudio exhaustivo sobre las características transitorias electromagnéticas de las torres de postes de líneas de transmisión de 500 kV bajo impulso de rayo de onda completa combinando análisis teóricos., simulación de elementos finitos, y pruebas experimentales. Primero, Se elabora la base teórica de los transitorios electromagnéticos bajo el impulso del rayo., incluidas las características de las ondas completas del impulso del rayo, la ley de distribución del campo electromagnético, y el mecanismo de respuesta transitoria de las estructuras de torres de postes.. Entonces, un modelo tridimensional de elementos finitos de un ángulo de 500 kV poste de acero-La torre se establece utilizando el software ANSYS Maxwell., y el impulso del rayo de onda completa (1.2/50μs) se aplica para simular el proceso transitorio electromagnético de la torre de polos.. Las características de distribución del voltaje transitorio., corriente transitoria, y campo electromagnético transitorio de la torre del poste bajo diferentes posiciones de impacto del rayo (cima de la torre, brazo cruzado, y conductor) y se analizan diferentes valores de resistencia de puesta a tierra. Mientras tanto, Se construye un modelo experimental a escala reducida de la torre-poste basándose en el principio de similitud., y se llevan a cabo pruebas de onda completa de impulso de rayo para verificar la exactitud de los resultados de la simulación.. Los resultados muestran que: (1) La posición del rayo tiene un impacto significativo en la respuesta transitoria electromagnética del poste-torre.. El voltaje y la corriente transitorios en la parte superior de la torre son mayores cuando un rayo cae sobre la parte superior de la torre., y la intensidad del campo electromagnético cerca de la cruceta es la más alta cuando un rayo cae sobre la cruceta. (2) Con el aumento de la resistencia a tierra., El voltaje transitorio en cada parte de la torre del poste aumenta significativamente., y la tasa de atenuación de la corriente transitoria disminuye, lo que aumenta el riesgo de que se produzca una descarga disruptiva del aislamiento.. (3) El campo electromagnético transitorio alrededor de la torre del poste decae exponencialmente con el aumento de la distancia., y la intensidad del campo electromagnético a la misma distancia es mayor en la dirección del rayo. (4) Los resultados de la simulación concuerdan bien con los resultados experimentales., con un error menor que 8%, que verifica la confiabilidad del modelo de elementos finitos establecido. Este estudio proporciona una base teórica y soporte técnico para la optimización del diseño de protección contra rayos., coordinación de aislamiento, y operación segura de torres de postes de líneas de transmisión de 500 kV.

Palabras clave: 500línea de transmisión kV; torre de postes; onda completa del impulso del rayo; transitorio electromagnético; simulación de elementos finitos; verificación experimental

Con el rápido desarrollo de la industria energética., 500Las líneas de transmisión de alta tensión de kV se han convertido en una parte importante de la red eléctrica nacional, emprender la importante tarea de transmisión de energía a larga distancia y de gran capacidad. La operación segura y estable de las líneas de transmisión de 500kV está directamente relacionada con la confiabilidad de todo el sistema eléctrico y el normal funcionamiento de la producción y la vida social.. sin embargo, Los rayos son uno de los desastres naturales más importantes que amenazan el funcionamiento seguro de las líneas de transmisión.. Según las estadísticas, Las fallas causadas por rayos representan más del 40% del total de averías de líneas de transmisión de alta tensión, y en algunas áreas propensas a rayos, esta proporción puede incluso llegar a más de 60% [1]. Cuando cae un rayo en una línea de transmisión o en una torre de postes., Se generará un fuerte impulso de rayo de onda completa., que inducirá fenómenos transitorios electromagnéticos complejos en la estructura de la torre del polo. Estos fenómenos transitorios causarán sobretensión y sobrecorriente en la torre del poste y sus equipos adjuntos., lo que puede provocar una descarga disruptiva del aislamiento., daño al equipo, e incluso cortes de energía, lo que resulta en enormes pérdidas económicas e impactos sociales [2-3].

Como componente clave de soporte y puesta a tierra de la línea de transmisión., La respuesta electromagnética transitoria de la torre de postes bajo el impulso del rayo de onda completa es el tema central del diseño de protección contra rayos de la línea de transmisión.. La torre de postes suele estar hecha de acero en ángulo., tubo de acero, o concreto, y su estructura es compleja, involucrando múltiples componentes como el cuerpo de la torre, brazo cruzado, cadena aislante, y dispositivo de puesta a tierra. Cuando cae un rayo, El proceso transitorio electromagnético de la torre de postes se ve afectado por muchos factores., como la posición del rayo, parámetros de corriente del rayo, la resistencia de puesta a tierra, y estructura de torre de postes [4]. Por lo tanto, Estudio en profundidad de las características transitorias electromagnéticas de torres de postes de 500 kV bajo impulso de rayo de onda completa., Dominar la ley de distribución de voltaje transitorio., corriente, y campo electromagnético, y aclarar la influencia de diversos factores en la respuesta transitoria son de gran importancia para optimizar el diseño de protección contra rayos de torres de postes., mejorar el nivel de coordinación del aislamiento del sistema eléctrico, y garantizar la operación segura y estable de líneas de transmisión de 500kV.

En años recientes, con la mejora continua de la tecnología de simulación por computadora y la tecnología de prueba experimental, La investigación sobre las características transitorias electromagnéticas de los equipos eléctricos bajo el impulso del rayo ha logrado grandes avances.. sin embargo, debido a la compleja estructura de las torres de postes de 500 kV y a la fuerte aleatoriedad de los rayos, Aún quedan muchos problemas por resolver en la investigación sobre las características transitorias electromagnéticas de las torres de postes.: (1) La investigación existente se centra principalmente en el rendimiento de protección contra rayos de toda la línea de transmisión., y la investigación sobre la respuesta electromagnética transitoria de la propia torre del poste no es lo suficientemente profunda; (2) La influencia de diferentes posiciones de impacto de rayos y valores de resistencia de puesta a tierra sobre las características transitorias electromagnéticas de la torre-poste no se ha estudiado sistemáticamente.; (3) La precisión del modelo de simulación debe verificarse mediante datos experimentales más fiables.. Por lo tanto, Es necesario realizar un estudio completo y en profundidad sobre las características transitorias electromagnéticas de las torres-postes de líneas de transmisión de 500 kV bajo impulso de rayo de onda completa..

Los académicos extranjeros han llevado a cabo muchas investigaciones sobre la protección contra rayos de las líneas de transmisión y las características transitorias electromagnéticas de las torres de postes.. En la década de 1970, Académicos como Wagner propusieron por primera vez la teoría de las ondas viajeras de la sobretensión del rayo., que sentó una base teórica para el estudio de los transitorios electromagnéticos de las torres de polos. [5]. Con el desarrollo de la tecnología informática., Los métodos de simulación de elementos finitos se han utilizado ampliamente en el estudio de transitorios electromagnéticos de torres de polos.. Por ejemplo, D'Alessandro et al.. estableció un modelo bidimensional de elementos finitos de una torre de postes de línea de transmisión utilizando el software COMSOL Multiphysics, Simuló el proceso transitorio electromagnético bajo el impulso de un rayo., y analizó la ley de distribución de voltaje y corriente transitorios. [6]. Petrache et al.. Estudió la influencia de los parámetros de la corriente del rayo en la respuesta transitoria electromagnética de torres de postes mediante simulación y experimentación., y propuso un esquema de optimización para el diseño de protección contra rayos de torres de postes. [7]. en adición, Los académicos extranjeros también han llevado a cabo muchas investigaciones sobre el rendimiento de la puesta a tierra de torres de postes bajo el impulso del rayo., y estudió la influencia de la resistencia de puesta a tierra y la estructura de la red de puesta a tierra en la respuesta transitoria [8-9].

La investigación nacional sobre las características transitorias electromagnéticas de las torres de postes de líneas de transmisión de 500 kV bajo impulso de rayo se ha desarrollado rápidamente en los últimos años.. Muchas universidades e instituciones de investigación han llevado a cabo investigaciones en profundidad en este campo.. Por ejemplo, Wang y otros. estableció un modelo tridimensional de elementos finitos de una torre de postes de acero en ángulo de 500 kV utilizando el software ANSYS, simuló el proceso transitorio del impulso del rayo, y analizó la distribución del campo electromagnético transitorio alrededor de la torre del polo. [10]. Li y otros. construyó un modelo experimental a escala reducida de una torre de postes, llevó a cabo pruebas de onda completa de impulso de rayo, y estudió las características de respuesta de voltaje transitorio de la torre-poste bajo diferentes posiciones de impacto de rayos. [11]. Zhang et al.. Estudió la influencia de la resistencia de puesta a tierra en la respuesta transitoria electromagnética de torres de postes de 500 kV mediante simulación y experimentación., y propuso un método para reducir la resistencia de puesta a tierra para mejorar el rendimiento de la protección contra rayos. [12]. sin embargo, Todavía hay algunas deficiencias en la investigación nacional existente.: (1) El modelo de simulación no es lo suficientemente detallado., y la influencia de algunas finas estructuras de la torre-poste (como la conexión entre los aceros angulares y la cadena de aisladores) sobre la respuesta transitoria no se considera; (2) La sistematicidad de la investigación experimental no es sólida., y la verificación del modelo de simulación no es exhaustiva; (3) La investigación sobre el mecanismo de acoplamiento transitorio electromagnético entre el poste-torre y el conductor no es lo suficientemente profunda.

Los principales objetivos de este trabajo son: (1) Elaborar las bases teóricas de las características transitorias electromagnéticas de postes-torres de líneas de transmisión de 500 kV bajo impulso de rayo de onda completa., incluidas las características de las ondas completas del impulso del rayo, la ley de distribución del campo electromagnético, y el mecanismo de respuesta transitoria; (2) Establecer un modelo tridimensional de elementos finitos de alta precisión de una torre de postes de acero en ángulo de 500 kV, y simular el proceso transitorio electromagnético bajo onda completa del impulso del rayo; (3) Analizar las características de distribución de tensión transitoria., corriente transitoria, y campo electromagnético transitorio de la torre de postes bajo diferentes factores de influencia (posición de rayo, la resistencia de puesta a tierra); (4) Construir un modelo experimental a escala reducida de la torre de postes., realizar pruebas de onda completa de impulso de rayo, y verificar la exactitud del modelo de simulación.; (5) Presentar sugerencias de optimización para el diseño de protección contra rayos de torres de postes de líneas de transmisión de 500 kV con base en los resultados de la investigación..

El alcance de la investigación de este trabajo incluye: (1) La torre de postes de acero en ángulo de 500 kV comúnmente utilizada en ingeniería; (2) El impulso del rayo de onda completa con parámetros de 1,2/50 μs. (hora delantera/hora media hora punta) que está en línea con el estándar IEC; (3) Tres posiciones típicas de impacto de un rayo: cima de la torre, brazo cruzado, y conductor; (4) Cuatro valores típicos de resistencia a tierra: 5Oh, 10Oh, 15Oh, y 20Ω; (5) Las características transitorias electromagnéticas de la torre de polos., incluyendo voltaje transitorio, corriente transitoria, y distribución de campos electromagnéticos transitorios..

Este trabajo está dividido en seis capítulos. Capítulo 1 es la introducción, que detalla los antecedentes y la importancia de la investigación., Resume el estado de la investigación en el país y en el extranjero., Aclara los objetivos y el alcance de la investigación., e introduce la estructura de la tesis.. Capítulo 2 Introduce las bases teóricas de los transitorios electromagnéticos bajo el impulso del rayo., incluidas las características de las ondas completas del impulso del rayo, la teoría básica de los transitorios electromagnéticos, y el mecanismo de respuesta transitoria de las estructuras de torres de postes.. Capítulo 3 describe el establecimiento del modelo de simulación de elementos finitos de la torre de postes de 500 kV, incluyendo la simplificación del modelo, parámetros materiales, condiciones de contorno, y carga de ondas completas de impulso de rayo. Capítulo 4 analiza los resultados de la simulación de las características transitorias electromagnéticas de la torre de postes bajo diferentes factores de influencia. Capítulo 5 presenta el diseño y la implementación del modelo experimental a escala reducida, y verifica los resultados de la simulación mediante pruebas experimentales.. Capítulo 6 es la conclusión y perspectiva, que resume los principales resultados de la investigación, presenta sugerencias de optimización para el diseño de protección contra rayos de torres de postes de 500 kV, y espera con ansias la dirección futura de la investigación.

El impulso del rayo es un tipo de sobretensión transitoria de corta duración y gran amplitud.. La onda completa del impulso del rayo suele estar definida por dos parámetros: tiempo de frente (T1) y hora media pico (T2). Según la CEI 60060-1 estándar, La onda completa del impulso del rayo estándar tiene un tiempo de frente de 1,2 μs. (tolerancia ±30%) y un tiempo medio pico de 50μs (tolerancia ±20%), que se registra como 1,2/50μs [13]. La forma de onda de la onda completa del impulso del rayo estándar se muestra en la Figura 1.

La expresión matemática de la onda completa del impulso del rayo estándar se puede describir mediante la función exponencial doble [14]:

Dónde: \( U_m \) es el valor máximo de la tensión de impulso del rayo; \( \tau_1 \) es la constante de tiempo frontal, que determina la pendiente del frente de onda; \( \tau_2 \) es la constante de tiempo de cola, que determina la duración de la cola de onda; \( t \) es el momento.

El valor máximo del voltaje de impulso del rayo generado por un rayo natural puede alcanzar de cientos de kilovoltios a millones de kilovoltios., y el valor máximo de la corriente del rayo puede alcanzar decenas de kiloamperios a cientos de kiloamperios. Para líneas de transmisión de 500kV, el nivel de voltaje de impulso del rayo suele ser de 1425 kV, que se determina de acuerdo con los requisitos de coordinación de aislamiento del sistema eléctrico [15]. Cuando cae un rayo, La onda completa del impulso del rayo se inyectará en la torre del poste a través del punto de impacto., y luego extenderse a lo largo del cuerpo de la torre hasta el suelo, inducir fenómenos transitorios electromagnéticos complejos.

Además de la onda completa estándar de 1,2/50 μs, También hay impulsos de relámpagos de frente pronunciado y de cola larga en la naturaleza.. El impulso del rayo de frente pronunciado tiene un tiempo de frente más corto (menos de 1μs) y una mayor pendiente del frente de onda, lo que tiene un mayor impacto en el aislamiento del poste-torre. El impulso del rayo de cola larga tiene un tiempo medio pico más largo (más de 50 μs), lo que puede causar daños acumulativos al equipo. sin embargo, La onda completa estándar de impulso de rayo de 1,2/50 μs es la más representativa., por lo que este artículo se centra en las características transitorias electromagnéticas de la torre polar bajo esta forma de onda..

El proceso transitorio electromagnético del poste-torre bajo el impulso del rayo es un complejo problema de acoplamiento de campos electromagnéticos., que sigue las ecuaciones de Maxwell [16]. Las ecuaciones de Maxwell son las ecuaciones fundamentales que describen el campo electromagnético., incluyendo la ley de Gauss para la electricidad, Ley de Gauss para el magnetismo, Ley de inducción electromagnética de Faraday, y la ley de Ampère-Maxwell. La forma diferencial de las ecuaciones de Maxwell es la siguiente:

Dónde: \( \vec{re} \) es el vector de desplazamiento eléctrico; \( \rho_v \) es la densidad de carga volumétrica; \( \vec{segundo} \) es la intensidad de la inducción magnética; \( \vec{mi} \) es la intensidad del campo eléctrico; \( \vec{H} \) es la intensidad del campo magnético; \( \vec{J} \) es la densidad de corriente; \( t \) es el momento.

En el análisis transitorio electromagnético del polo-torre., La estructura de la torre del poste generalmente se considera como un conductor., y el medio circundante es aire. Las relaciones constitutivas del conductor y el aire son las siguientes.:

Dónde: \( \varepsilon \) es la permitividad; \( \en \) es la permeabilidad; \( \sigma \) es la conductividad.

Cuando el impulso del rayo de onda completa se inyecta en el poste-torre, Se generará una corriente variable en el tiempo en el cuerpo de la torre., que excitará un campo electromagnético variable en el tiempo alrededor de la torre del polo. El campo electromagnético variable en el tiempo inducirá corrientes parásitas en el conductor de la torre del poste., y habrá acoplamiento electromagnético entre el cuerpo de la torre, brazo cruzado, cadena aislante, y conductor. La respuesta electromagnética transitoria del poste-torre es el resultado de la interacción entre el impulso del rayo inyectado, el campo electromagnético, y la estructura de torre de postes.

La estructura de torre de postes es una estructura espacial compleja compuesta de aceros de múltiples ángulos conectados por pernos.. Cuando un rayo cae sobre la torre del poste, El mecanismo de respuesta transitoria de la torre de postes incluye principalmente los siguientes aspectos.:

(1) Mecanismo de distribución de voltaje y corriente.: La tensión del impulso del rayo inyectada desde el punto de impacto se distribuirá a lo largo del cuerpo de la torre.. Debido a la capacitancia e inductancia distribuidas del cuerpo de la torre., El voltaje y la corriente tendrán un efecto de onda viajera durante el proceso de propagación.. La impedancia de onda del cuerpo de la torre es un parámetro importante que afecta la distribución de voltaje y corriente.. La impedancia de onda de la torre de poste de acero en ángulo suele estar entre 100 Ω y 300 Ω., que está relacionado con el área de la sección transversal del cuerpo de la torre, el espacio entre los aceros angulares, y la altura de la torre [17].

(2) Mecanismo de acoplamiento de campo electromagnético.: La corriente variable en el tiempo en el cuerpo de la torre generará un campo electromagnético variable en el tiempo alrededor del poste de la torre.. El campo electromagnético inducirá voltaje y corriente en los conductores y componentes metálicos adyacentes., ¿Cuál es el efecto de inducción electromagnética?. Al mismo tiempo, el campo electromagnético también interactuará con el dispositivo de puesta a tierra de la torre del poste, afectando la corriente de conexión a tierra y el voltaje de conexión a tierra [18].

(3) Mecanismo de respuesta de aislamiento: La cadena de aisladores entre la torre del poste y el conductor es un componente de aislamiento importante.. Bajo la acción de la sobretensión del impulso del rayo., la cadena de aisladores soportará un alto voltaje transitorio. Si el voltaje transitorio excede la resistencia del aislamiento de la cadena de aisladores, se producirá una descarga disruptiva del aislamiento, provocando un cortocircuito entre el conductor y el poste-torre [19].

(4) Mecanismo de respuesta a tierra: El dispositivo de puesta a tierra de la torre de postes se utiliza para guiar la corriente del rayo hacia el suelo y reducir la tensión de puesta a tierra.. Bajo la acción del impulso del rayo., la resistencia de puesta a tierra del dispositivo de puesta a tierra mostrará características transitorias. Por el efecto piel y la ionización del suelo., La resistencia de puesta a tierra transitoria suele ser menor que la resistencia de puesta a tierra en estado estable., pero la ley del cambio es compleja [20]. La respuesta de puesta a tierra afecta directamente la tasa de atenuación de la corriente del rayo y la distribución del voltaje transitorio en el poste-torre..

En resumen, La respuesta transitoria electromagnética del poste-torre bajo el impulso del rayo es un resultado integral de múltiples mecanismos, como la distribución de voltaje y corriente., acoplamiento de campo electromagnético, respuesta de aislamiento, y respuesta a tierra. Analizar con precisión las características transitorias electromagnéticas del poste-torre., es necesario considerar exhaustivamente estos mecanismos y establecer un modelo matemático y un modelo de simulación razonables.

La torre con postes de acero en ángulo de 500 kV estudiada en este artículo es una torre típica del tipo 猫头., con una altura total de 45m, un ancho de base de 8m, y una longitud de brazo transversal de 12 m. El cuerpo de la torre está compuesto por aceros en ángulo Q355., con diferentes tamaños de sección transversal a diferentes alturas. El brazo transversal también está compuesto de aceros angulares Q355., y la cadena de aisladores está hecha de plástico reforzado con fibra de vidrio.. Debido a la compleja estructura de la torre del poste, es necesario simplificar el modelo durante el proceso de modelado de elementos finitos para mejorar la eficiencia del cálculo bajo la premisa de garantizar la precisión del cálculo..

Las principales medidas de simplificación son las siguientes: (1) Ignore las conexiones de pernos entre los aceros angulares., y supongamos que las conexiones son rígidas; (2) Simplifique la cadena de aisladores como un aislador cilíndrico con el mismo diámetro y longitud equivalentes.; (3) Ignore los componentes pequeños, como la placa base de la torre y la abrazadera del cable., que tienen poco impacto en la respuesta transitoria electromagnética; (4) El dispositivo de puesta a tierra se simplifica como una rejilla de puesta a tierra horizontal con una longitud de 20 m., un ancho de 20m, y una profundidad de enterramiento de 0,8 m, y el conductor de puesta a tierra es un acero redondo con un diámetro de 12 mm..

Basado en las medidas de simplificación anteriores., Se establece el modelo geométrico tridimensional de la torre-poste de 500kV mediante el software ANSYS DesignModeler.. El modelo geométrico incluye el cuerpo de la torre., brazo cruzado, cadena aislante, conductor, y dispositivo de puesta a tierra. El conductor es un conductor de transmisión de CA de 500 kV con un diámetro de 25 mm.. El modelo se muestra en la figura. 2.

Los principales materiales involucrados en el modelo de torre-poste incluyen el acero Q355. (cuerpo de la torre, brazo cruzado, conductor de puesta a tierra), plástico reforzado con fibra de vidrio (cadena aislante), aire (medio circundante), y suelo (medio de puesta a tierra). Los parámetros del material se muestran en la tabla. 1.

Material	Conductividad σ (S/m)	Permitividad ε (F/m)	Permeabilidad µ (altura/metro)	Densidad ρ (kg/m³)
Q355 acero	5.8×10⁶	8.85×10⁻¹²	4π×10⁻⁷	7850
Plástico reforzado con fibra de vidrio	1×10⁻¹²	3.54×10⁻¹¹	4π×10⁻⁷	1800
Aire	1×10⁻¹⁵	8.85×10⁻¹²	4π×10⁻⁷	1.29
Suelo	0.01	1.77×10⁻¹⁰	4π×10⁻⁷	1800

Cabe señalar que la conductividad del suelo se ve afectada por factores como el tipo de suelo., contenido de humedad, y temperatura. en este papel, La conductividad del suelo se toma como 0.01 S/m, que es el valor promedio del suelo franco comúnmente utilizado en ingeniería [21]. La permitividad del plástico reforzado con fibra de vidrio es 4 veces la del aire, que se determina de acuerdo con los parámetros del material proporcionados por el fabricante.

La generación de mallas es un paso clave en la simulación de elementos finitos, lo que afecta directamente la precisión del cálculo y la eficiencia del cálculo. La generación de malla del modelo poste-torre se realiza mediante el software ANSYS Meshing. Teniendo en cuenta la compleja estructura de la torre-poste y los altos requisitos de precisión de cálculo para el campo electromagnético cerca del cuerpo de la torre., Se adoptan las siguientes estrategias de generación de malla.:

(1) Utilice malla tetraédrica para el cuerpo de la torre., brazo cruzado, cadena aislante, conductor, y dispositivo de puesta a tierra, que puede adaptarse a la compleja forma geométrica; (2) Utilice malla hexaédrica para las regiones de aire y suelo., que tiene mayor precisión y eficiencia de cálculo; (3) Llevar a cabo un refinamiento de la malla para las regiones con un gran gradiente de campo electromagnético., como el punto de impacto de un rayo, la conexión entre el cuerpo de la torre y el brazo transversal, y la rejilla de puesta a tierra; (4) Controlar el tamaño máximo de malla: El tamaño máximo de malla del cuerpo de la torre y el brazo transversal es de 0,5 m., El tamaño máximo de malla de la cadena de aisladores y del conductor es de 0,2 m., el tamaño máximo de malla de la rejilla de puesta a tierra es de 0,3 m, y el tamaño máximo de malla de las regiones de aire y suelo es de 2 m.

Después de la generación de malla, el número total de elementos de malla del modelo es 1,256,800, y el número total de nodos es 2,345,600. Se comprueba la calidad de la malla., y la relación de aspecto promedio es 1.8, que cumple con los requisitos del cálculo de elementos finitos.

3.4.1 Condiciones de contorno

Las condiciones de contorno del modelo de simulación se establecen de la siguiente manera: (1) El límite del campo lejano está establecido para la región aérea.. El límite del campo lejano es un límite no reflectante., que puede simular la extensión infinita del aire y evitar el reflejo de ondas electromagnéticas en el límite, afectando los resultados de la simulación; (2) El límite del terreno se establece para la región del suelo.. El límite de tierra se establece como un límite de conductor perfecto., suponiendo que el suelo es infinitamente profundo, y las ondas electromagnéticas son completamente absorbidas por el suelo; (3) El límite de simetría no está establecido., porque el rayo es una carga asimétrica, y la respuesta transitoria electromagnética de la torre del poste también es asimétrica.

3.4.2 Cargando configuración

La onda completa del impulso del rayo se carga como fuente de voltaje en el punto de impacto.. Según el alcance de la investigación de este trabajo., Se seleccionan tres posiciones típicas de impacto de rayos.: (1) Lo alto de la torre: La fuente de voltaje se carga en el nodo superior del cuerpo de la torre.; (2) brazo cruzado: la fuente de voltaje se carga en el nodo final del brazo transversal; (3) Conductor: La fuente de voltaje se carga en el nodo medio del conductor..

Los parámetros del impulso del rayo de onda completa se establecen según la IEC. 60060-1 estándar: tiempo frontal 1.2μs, tiempo medio pico 50μs, y tensión máxima 1425kV (el nivel de voltaje de impulso de rayo de líneas de transmisión de 500 kV). La forma de onda de voltaje se genera utilizando la función doble exponencial en el software ANSYS Maxwell., y el paso de tiempo se establece en 0,01 μs para garantizar que el proceso transitorio se capture con precisión. El tiempo de simulación se establece en 200 μs., que cubre todo el proceso de la onda completa del impulso del rayo desde el ascenso hasta la caída.

en adición, La resistencia de puesta a tierra se simula añadiendo un límite de resistencia en la rejilla de puesta a tierra.. Cuatro valores diferentes de resistencia a tierra (5Oh, 10Oh, 15Oh, y 20Ω) están configurados para estudiar la influencia de la resistencia de puesta a tierra en la respuesta transitoria electromagnética del polo-torre.

El cálculo de la simulación se realiza utilizando el módulo de campo electromagnético transitorio del software ANSYS Maxwell.. El solucionador está configurado en el dominio del tiempo., que es adecuado para simular el campo electromagnético transitorio con características variables en el tiempo. El método de cálculo es el método de los elementos finitos., que discretiza el dominio de solución en un gran número de elementos finitos, y resuelve las ecuaciones de Maxwell en cada elemento para obtener la distribución del campo electromagnético.

Durante el proceso de cálculo, se establecen los siguientes parámetros: (1) La condición inicial es cero., es decir, la intensidad del campo eléctrico inicial y la intensidad del campo magnético en el dominio de la solución son cero; (2) El criterio de convergencia se establece en 1×10⁻⁶, lo que garantiza la precisión del cálculo; (3) La aceleración de hardware está habilitada., usando la GPU para acelerar el cálculo, lo que mejora la eficiencia del cálculo.

Después del cálculo de la simulación., el voltaje transitorio, corriente transitoria, y la distribución del campo electromagnético transitorio de cada parte de la torre-poste en diferentes momentos se puede obtener a través del módulo de posprocesamiento del software ANSYS Maxwell..

Figura 3 muestra la forma de onda de voltaje transitorio de diferentes partes de la torre del poste cuando un rayo cae en la parte superior de la torre (La resistencia a tierra es de 10Ω.). Se puede ver en la figura 3 que el voltaje transitorio de cada parte de la torre del poste aumenta rápidamente con el aumento de la onda completa del impulso del rayo, alcanza el valor máximo en aproximadamente 1,2 μs, y luego decae gradualmente con la desintegración de la cola de onda.

Los valores máximos del voltaje transitorio en diferentes partes son los siguientes: la parte superior de la torre es de 1425kV (igual al valor máximo de la tensión de impulso del rayo cargada), la mitad del cuerpo de la torre (22.5m altura) es 785kV, la parte inferior del cuerpo de la torre (0m altura) es 125kV, El final del brazo transversal es de 650 kV., y la cadena de aisladores es de 580kV. El voltaje transitorio disminuye gradualmente desde la parte superior de la torre hasta la parte inferior de la torre., Esto se debe a que el cuerpo de la torre tiene una cierta impedancia de onda., y el voltaje del impulso del rayo se atenúa durante el proceso de propagación a lo largo del cuerpo de la torre.

El voltaje transitorio en la cadena de aisladores es el voltaje entre el brazo transversal y el conductor.. Cuando un rayo cae en lo alto de la torre, el brazo transversal tiene un alto voltaje transitorio, mientras el conductor no sea alcanzado directamente por un rayo, entonces el voltaje transitorio en la cadena de aisladores es la diferencia entre el voltaje transitorio del brazo transversal y el conductor. El valor máximo de la tensión transitoria en la cadena de aisladores es de 580 kV., que es menor que la resistencia del aislamiento de la cadena de aisladores de 500 kV (1425kV), por lo que no se produce una descarga disruptiva del aislamiento.

Figura 4 muestra la forma de onda de corriente transitoria de diferentes partes de la torre del poste cuando un rayo cae en la parte superior de la torre (La resistencia a tierra es de 10Ω.). La corriente transitoria de cada parte de la torre del poste también aumenta rápidamente con el aumento de la onda completa del impulso del rayo., alcanza el valor máximo en aproximadamente 1,5 μs, y luego decae gradualmente.

Los valores máximos de la corriente transitoria en diferentes partes son los siguientes: la parte superior de la torre es de 14,25 kA, la mitad del cuerpo de la torre es 12,8 kA, la parte inferior del cuerpo de la torre es de 11,5 kA, y la rejilla de puesta a tierra es de 11,5kA. La corriente transitoria disminuye ligeramente desde la parte superior de la torre hasta la parte inferior de la torre., Esto se debe a que una pequeña parte de la corriente se filtra al suelo a través de la capacitancia distribuida del cuerpo de la torre.. La corriente transitoria de la rejilla de puesta a tierra es igual a la corriente transitoria en la parte inferior del cuerpo de la torre., lo que indica que toda la corriente en la parte inferior del cuerpo de la torre se inyecta al suelo a través de la rejilla de puesta a tierra..

La forma de onda de la corriente transitoria es ligeramente diferente a la del voltaje transitorio.. El tiempo pico de la corriente transitoria es posterior al de la tensión transitoria., Esto se debe a que la inductancia del cuerpo de la torre y la rejilla de puesta a tierra hacen que la corriente se retrase respecto del voltaje..

Figura 5 muestra la distribución del campo electromagnético transitorio alrededor de la torre-polo en t=1,2μs (tiempo pico de la tensión transitoria) cuando un rayo cae en lo alto de la torre (La resistencia a tierra es de 10Ω.). La intensidad del campo electromagnético es mayor cerca de la cima de la torre., con un valor máximo de 5,8×10⁵ V/m (intensidad del campo eléctrico) y 1,5×10³A/m (intensidad del campo magnético).

El campo electromagnético transitorio alrededor de la torre del poste decae exponencialmente con el aumento de la distancia.. Cuando la distancia desde el cuerpo de la torre es de 5 m., la intensidad del campo eléctrico es 1,2×10⁵ V/m, y la intensidad del campo magnético es 3,2×10² A/m; cuando la distancia es de 10m, la intensidad del campo eléctrico es 2,8×10⁴ V/m, y la intensidad del campo magnético es 7,5×10¹ A/m; cuando la distancia es de 20m, la intensidad del campo eléctrico es 6,8×10³ V/m, y la intensidad del campo magnético es 1,8×10¹ A/m. Esta ley de distribución es consistente con las características de la onda electromagnética de campo cercano generada por la corriente transitoria..

en adición, la intensidad del campo electromagnético tiene una directividad obvia. La intensidad del campo electromagnético en la dirección del rayo. (dirección vertical) es mayor que en la dirección horizontal, Esto se debe a que la corriente transitoria en el cuerpo de la torre es principalmente vertical., y el campo electromagnético generado por la corriente vertical es más fuerte en la dirección vertical.

Figura 6 muestra la forma de onda de voltaje transitorio de diferentes partes de la torre del poste cuando un rayo cae sobre el brazo transversal (La resistencia a tierra es de 10Ω.). Comparado con el rayo en lo alto de la torre., El voltaje transitorio del brazo transversal es el más alto., con un valor máximo de 1425kV. El voltaje transitorio en la parte superior de la torre es de 980 kV., la mitad del cuerpo de la torre es de 560kV, la parte inferior del cuerpo de la torre es de 105 kV, y la cadena de aisladores es de 850kV.

El voltaje transitorio en la cadena de aisladores es significativamente mayor que cuando un rayo cae en la parte superior de la torre.. Esto se debe a que cuando un rayo cae sobre la cruz, el brazo transversal está directamente en el voltaje máximo del impulso del rayo, y el conductor está cerca del brazo transversal, entonces la diferencia de voltaje entre la cruceta y el conductor es mayor. El valor máximo de la tensión transitoria en la cadena de aisladores es de 850 kV., que es aún menor que la resistencia de aislamiento de la cadena de aisladores, por lo que no se produce una descarga disruptiva del aislamiento. sin embargo, si la tensión de impulso del rayo es mayor o se reduce el rendimiento de aislamiento de la cadena de aisladores, Puede ocurrir una descarga disruptiva del aislamiento..

Figura 7 muestra la forma de onda de corriente transitoria de diferentes partes de la torre del poste cuando un rayo cae sobre el brazo transversal (La resistencia a tierra es de 10Ω.). El valor máximo de la corriente transitoria en la cruceta es 14,25 kA., la parte superior de la torre es de 4,8 kA, la mitad del cuerpo de la torre es de 9,5 kA, la parte inferior del cuerpo de la torre es de 11,2 kA, y la rejilla de tierra es de 11,2kA.

Comparado con el rayo en lo alto de la torre., la corriente transitoria en la parte superior de la torre es significativamente menor, mientras que la corriente transitoria en el centro del cuerpo de la torre es ligeramente menor. Esto se debe a que cuando un rayo cae sobre la cruz, la corriente se divide en dos partes: una parte fluye hacia la cima de la torre, y la otra parte fluye hacia el fondo de la torre. Debido a la mayor impedancia de onda de la parte superior de la torre., La mayor parte de la corriente fluye hacia la parte inferior de la torre y se inyecta en el suelo a través de la rejilla de puesta a tierra..

Figura 8 muestra la distribución del campo electromagnético transitorio alrededor de la torre del poste en t = 1,2 μs cuando un rayo cae sobre el brazo transversal (La resistencia a tierra es de 10Ω.). La intensidad del campo electromagnético cerca de la cruceta es la más alta, con un valor máximo de 6,2×10⁵ V/m (intensidad del campo eléctrico) y 1,6×10³A/m (intensidad del campo magnético), que es más alto que cuando un rayo cae en la parte superior de la torre.

El campo electromagnético transitorio alrededor de la torre del poste también decae exponencialmente con el aumento de la distancia.. Cuando la distancia desde el travesaño es de 5 m., la intensidad del campo eléctrico es 1,3×10⁵ V/m, y la intensidad del campo magnético es 3,4×10² A/m; cuando la distancia es de 10m, la intensidad del campo eléctrico es 3,0×10⁴ V/m, y la intensidad del campo magnético es 7,8×10¹ A/m. La directividad del campo electromagnético también es obvia., y la intensidad del campo electromagnético en la dirección perpendicular al brazo transversal es mayor que en otras direcciones.

Figura 9 muestra la forma de onda de voltaje transitorio de diferentes partes de la torre del poste cuando un rayo cae sobre el conductor (La resistencia a tierra es de 10Ω.). Cuando un rayo cae sobre el conductor., el voltaje transitorio del conductor es 1425kV, La cadena de aisladores es de 1425 kV. (igual al voltaje del conductor), el brazo transversal es de 575 kV, la parte superior de la torre es de 480kV, la mitad del cuerpo de la torre es de 320kV, y la parte inferior del cuerpo de la torre es de 85kV.

El voltaje transitorio en la cadena de aisladores es máximo cuando un rayo cae sobre el conductor., que es igual al valor máximo de la tensión de impulso del rayo. Esto se debe a que el rayo alcanza directamente al conductor., y la cadena de aisladores soporta toda la tensión del impulso del rayo. El valor máximo del voltaje transitorio en la cadena de aisladores es 1425 kV., que es igual a la resistencia del aislamiento de la cadena de aisladores. En este momento, La cadena de aisladores se encuentra en el estado crítico de descarga disruptiva del aislamiento.. Si el voltaje del impulso del rayo es ligeramente mayor, se producirá una descarga disruptiva del aislamiento, provocando un cortocircuito entre el conductor y la cruceta.

Figura 10 muestra la forma de onda de corriente transitoria de diferentes partes de la torre del poste cuando un rayo cae sobre el conductor (La resistencia a tierra es de 10Ω.). El valor máximo de la corriente transitoria en el conductor es 14,25 kA., la cadena de aisladores es de 14,25 kA, el brazo transversal es de 12,5 kA, la parte superior de la torre es de 3,2 kA, la mitad del cuerpo de la torre es de 9,8 kA, la parte inferior del cuerpo de la torre es de 11,0 kA, y la rejilla de tierra es de 11.0kA.

Cuando un rayo cae sobre el conductor., La corriente se transmite al brazo transversal a través de la cadena de aisladores., luego dividido en dos partes: una parte fluye hacia la cima de la torre, y la otra parte fluye hacia el fondo de la torre. La corriente que fluye hacia la parte inferior de la torre se inyecta en el suelo a través de la rejilla de puesta a tierra.. La corriente transitoria en la cruceta es ligeramente menor que la del conductor., lo cual se debe a que una pequeña parte de la corriente se escapa al aire a través de la capacitancia distribuida del brazo transversal.

Figura 11 muestra la distribución del campo electromagnético transitorio alrededor de la torre del poste en t = 1,2 μs cuando el rayo cae sobre el conductor (La resistencia a tierra es de 10Ω.). La intensidad del campo electromagnético cerca del conductor y de la cadena de aisladores es la más alta., con un valor máximo de 6,5×10⁵ V/m (intensidad del campo eléctrico) y 1,7×10³A/m (intensidad del campo magnético), que es más alto que cuando el rayo cae sobre la parte superior de la torre y la cruz.

El campo electromagnético transitorio alrededor de la torre del poste decae exponencialmente con el aumento de la distancia.. Cuando la distancia desde el conductor es de 5 m., la intensidad del campo eléctrico es 1,4×10⁵ V/m, y la intensidad del campo magnético es 3,6×10² A/m; cuando la distancia es de 10m, la intensidad del campo eléctrico es 3,2×10⁴ V/m, y la intensidad del campo magnético es 8,2×10¹ A/m. El campo electromagnético en la dirección paralela al conductor es mayor que en otras direcciones..

Estudiar la influencia de la resistencia de puesta a tierra sobre las características transitorias electromagnéticas del poste-torre., cuatro valores diferentes de resistencia a tierra (5Oh, 10Oh, 15Oh, y 20Ω) son seleccionados, y la posición del rayo se fija en la parte superior de la torre. La variación del valor pico del voltaje y corriente transitorios en diferentes partes de la torre del poste con resistencia a tierra se muestra en la Tabla 2.

Resistencia a tierra (Oh)	Voltaje transitorio máximo en la parte superior de la torre (kV)	Voltaje transitorio máximo en la parte inferior de la torre (kV)	Corriente transitoria máxima en la parte superior de la torre (el)	Corriente transitoria máxima en la red de puesta a tierra (el)
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

Se puede ver en la tabla 2 que el valor máximo del voltaje transitorio en la parte superior de la torre no se vea afectado por la resistencia de puesta a tierra, que siempre es igual al valor máximo de la tensión de impulso del rayo cargada. sin embargo, El valor máximo del voltaje transitorio en la parte inferior de la torre aumenta significativamente con el aumento de la resistencia a tierra.. Cuando la resistencia a tierra aumenta de 5Ω a 20Ω, el valor máximo del voltaje transitorio en la parte inferior de la torre aumenta de 65 kV a 245 kV, un incremento de 277%.

El valor máximo de la corriente transitoria en la parte superior de la torre tampoco se ve afectado por la resistencia de puesta a tierra., mientras que el valor máximo de la corriente transitoria en la rejilla de puesta a tierra disminuye con el aumento de la resistencia de puesta a tierra. Cuando la resistencia a tierra aumenta de 5Ω a 20Ω, el valor máximo de la corriente transitoria en la red de puesta a tierra disminuye de 13,8 kA a 8,5 kA, una disminución de 38.4%. Esto se debe a que el aumento de la resistencia a tierra aumenta la impedancia del bucle de tierra., reduciendo la corriente inyectada en el suelo.

El aumento del voltaje transitorio en la parte inferior de la torre y la disminución de la corriente transitoria en la red de puesta a tierra aumentarán el riesgo de ruptura del aislamiento del poste-torre y del equipo adjunto.. Por lo tanto, Reducir la resistencia de puesta a tierra es una medida eficaz para mejorar el rendimiento de protección contra rayos de la torre-poste..

Basado en el análisis de simulación anterior., Las principales conclusiones sobre las características transitorias electromagnéticas de la torre-poste de 500 kV bajo impulso de rayo de onda completa son las siguientes:

(1) La posición del rayo tiene un impacto significativo en la respuesta transitoria electromagnética del poste-torre.. Cuando un rayo cae sobre el conductor., El voltaje transitorio en la cadena de aisladores es el más alto., que se encuentra en el estado crítico de descarga disruptiva del aislamiento; cuando un rayo cae sobre la cruz, La intensidad del campo electromagnético cerca de la cruz es la más alta.; cuando un rayo cae en lo alto de la torre, El voltaje y la corriente transitorios en la parte superior de la torre son los más altos..

(2) El voltaje transitorio de la torre de postes disminuye gradualmente desde el punto de impacto hasta la parte inferior de la torre., y la corriente transitoria también disminuye ligeramente. El campo electromagnético transitorio alrededor de la torre del poste decae exponencialmente con el aumento de la distancia., y tiene directividad obvia.

(3) La resistencia de puesta a tierra tiene un impacto significativo en la respuesta transitoria electromagnética del poste-torre.. Con el aumento de la resistencia a tierra., El voltaje transitorio en la parte inferior de la torre aumenta significativamente., y la corriente transitoria en la red de puesta a tierra disminuye, lo que aumenta el riesgo de que se produzca una descarga disruptiva del aislamiento..

(4) La cadena de aisladores soporta el voltaje transitorio más alto cuando un rayo cae sobre el conductor., ¿Cuál es la condición de trabajo más peligrosa para la cadena de aisladores?. Por lo tanto, en el diseño de protección contra rayos de la torre-poste, Se debe prestar especial atención a la protección de la cadena de aisladores cuando un rayo cae sobre el conductor..

Verificar la exactitud del modelo de simulación de elementos finitos., Se construye un modelo experimental a escala reducida de la torre de postes de 500 kV basándose en el principio de similitud.. El principio de similitud requiere que los parámetros geométricos, parámetros materiales, y los parámetros de carga del modelo a escala reducida son similares a los del prototipo [22]. La relación de escala del modelo a escala reducida con respecto al prototipo se establece en 1:20, que se determina según el tamaño del laboratorio y la capacidad del generador de impulsos del rayo..

Los parámetros geométricos del modelo a escala reducida son los siguientes: La altura total del cuerpo de la torre es de 2,25 m., El ancho de la base es de 0,4 m., La longitud del brazo transversal es de 0,6 m.. El cuerpo de la torre y el brazo transversal están hechos de acero en ángulo Q235 con un tamaño de sección transversal de 5 mm × 5 mm × 0,5 mm.. La cuerda aislante está hecha de vidrio orgánico con un diámetro de 2 mm y una longitud de 50 mm.. El conductor es un alambre de cobre con un diámetro de 1,25 mm.. El dispositivo de puesta a tierra es una rejilla de puesta a tierra horizontal con una longitud de 1 m., un ancho de 1m, y una profundidad de entierro de 0,04 m, y el conductor de tierra es un cable de cobre con un diámetro de 0,6 mm.

En términos de coincidencia de parámetros de materiales., según el principio de similitud, la permitividad relativa, La permeabilidad y conductividad relativas del material deben permanecer consistentes con el prototipo para garantizar la similitud de las características electromagnéticas.. El acero Q235 utilizado en el modelo a escala reducida tiene una conductividad de 5,0×10⁶ S/m, que está cerca de los 5,8×10⁶ S/m del acero Q355 en el prototipo, y la diferencia está dentro del rango aceptable de errores experimentales. La permitividad relativa del vidrio orgánico es 3.2, que está cerca del 4.0 de plástico reforzado con fibra de vidrio en el prototipo, y puede cumplir con los requisitos de simulación de rendimiento del aislamiento. El suelo utilizado en el experimento es franco con una conductividad de 0.01 S/m, que es el mismo que el establecido en el modelo de simulación.

Para la coincidencia de parámetros de carga, La onda completa del impulso del rayo aplicada al modelo de escala reducida debe satisfacer la relación de similitud de voltaje.. Según la relación de escala geométrica de 1:20, la relación de escala de voltaje también es 1:20. Por lo tanto, el valor máximo de la tensión de impulso del rayo aplicado al modelo de escala reducida es 1425 kV / 20 = 71,25 kV, y los parámetros de forma de onda siguen siendo 1,2/50 μs, que es consistente con los requisitos estándar.

El sistema experimental consta principalmente de un generador de impulsos de rayo., un modelo de torre de postes a escala reducida, un sistema de medición, y un sistema de puesta a tierra, como se muestra en la figura 12. El generador de impulsos de rayo es del tipo GS-100kV., que puede generar ondas completas de impulso de rayo estándar de 1,2/50 μs con un voltaje máximo ajustable desde 0 a 100kV, Cumplir con los requisitos de carga experimental..

El sistema de medida incluye un divisor de alta tensión., un sensor de corriente, un sensor de campo electromagnético, y un sistema de adquisición de datos. El divisor de alto voltaje es un divisor de voltaje capacitivo con una relación de división de voltaje de 1000:1, que se utiliza para medir el voltaje transitorio de cada parte de la torre del poste. El sensor de corriente es una bobina de Rogowski con un rango de medición de 0-20 kA y un ancho de banda de 10 Hz-10 MHz., que se utiliza para medir la corriente transitoria del cuerpo de la torre y la rejilla de puesta a tierra. El sensor de campo electromagnético es una sonda de campo electromagnético de banda ancha con un rango de medición de 1 V/m-10⁶ V/m (campo eléctrico) y 0,1A/m-10³A/m (campo magnético), que se utiliza para medir el campo electromagnético transitorio alrededor de la torre del poste. El sistema de adquisición de datos utiliza un osciloscopio digital con una velocidad de muestreo de 1GS/s y una profundidad de almacenamiento de 10M., que puede capturar con precisión la forma de onda transitoria de la señal medida.

El sistema de puesta a tierra del sistema experimental es independiente del sistema de puesta a tierra del laboratorio para evitar interferencias mutuas.. La resistencia de puesta a tierra del sistema de puesta a tierra experimental es ajustable, y cuatro valores de resistencia de 0,25Ω, 0.5Oh, 0.75Oh, y 1Ω se establecen según la relación de similitud (consistente con los 5Ω, 10Oh, 15Oh, y 20Ω en el modelo de simulación.). La rejilla de puesta a tierra del sistema experimental está conectada al dispositivo de puesta a tierra del modelo de escala reducida para garantizar que la corriente del rayo pueda inyectarse suavemente en el suelo..

Los pasos experimentales se llevan a cabo de acuerdo con la IEC. 60060-1 Estándar y requisitos relevantes de las pruebas de protección contra rayos del sistema de energía., y se dividen en las siguientes etapas:

(1) Preparación previa al experimento: Comprobar la integridad del modelo a escala reducida., Asegúrese de que las conexiones entre el cuerpo de la torre, brazo cruzado, cadena aislante, y el conductor son confiables, y confirme que el dispositivo de conexión a tierra esté en buen contacto con el suelo.. Calibrar el sistema de medición., incluyendo el divisor de alto voltaje, sensor de corriente, y sensor de campo electromagnético, para garantizar la exactitud de los datos de medición. Ajuste el generador de impulsos de rayo para generar una onda completa estándar de 1,2/50 μs con un voltaje máximo de 71,25 kV..

(2) Carga experimental y recopilación de datos.: Realizar experimentos bajo tres posiciones de impacto de rayos. (cima de la torre, brazo cruzado, conductor) y cuatro valores de resistencia a tierra respectivamente. Para cada condición de trabajo, Encienda el generador de impulso del rayo para inyectar la onda completa del impulso del rayo en el punto de impacto., y utilizar el sistema de adquisición de datos para recopilar el voltaje transitorio, corriente transitoria, y señales de campo electromagnético transitorio de cada parte de la torre del poste. Cada condición de trabajo se repite. 5 veces para reducir el error aleatorio del experimento, y el valor medio de la 5 conjuntos de datos se toman como resultado experimental final.

(3) Acabado post-experimento: Apague el equipo experimental en secuencia., ordenar los datos experimentales recopilados, y eliminar datos no válidos con errores obvios. Limpiar el sitio experimental y mantener el equipo experimental en buenas condiciones..

Tomando las condiciones de trabajo de un rayo en la parte superior de la torre y una resistencia de puesta a tierra de 0,5 Ω (correspondiente a 10Ω en la simulación) como ejemplo, los resultados experimentales y los resultados de la simulación se comparan y analizan. Figura 13 muestra la comparación de la forma de onda de voltaje transitorio en el medio del cuerpo de la torre entre el experimento y la simulación. Se puede ver en la figura que la forma de onda experimental y la forma de onda de simulación tienen la misma tendencia de variación.: ambos aumentan rápidamente hasta el valor máximo en aproximadamente 1,2 μs, y luego decaer gradualmente. El valor máximo del voltaje transitorio obtenido por el experimento es 39,3 kV., y el valor pico obtenido por la simulación es 41,2kV. El error relativo es 4.6%, que es menor que 8%.

Figura 14 muestra la comparación de la forma de onda de corriente transitoria en la rejilla de puesta a tierra entre el experimento y la simulación. La forma de onda experimental y la forma de onda de simulación también tienen buena consistencia.. El tiempo máximo de la corriente experimental es de aproximadamente 1,5 μs., y el tiempo máximo de la corriente de simulación también es de aproximadamente 1,5 μs. El valor máximo de la corriente experimental es 0,57 kA., y el valor máximo de la corriente de simulación es 0,59 kA. El error relativo es 3.4%, que está dentro del rango aceptable.

Figura 15 muestra la comparación de la intensidad del campo eléctrico a 5 m del cuerpo de la torre entre el experimento y la simulación. El pico de intensidad del campo eléctrico experimental es 6,1×10³ V/m, y el pico de intensidad del campo eléctrico de simulación es 6,4×10³ V/m. El error relativo es 4.7%, que también es menor que 8%. La intensidad del campo magnético en la misma posición también tiene buena consistencia., con un error relativo de 5.2%.

Mesa 3 muestra la comparación de los valores máximos de tensión transitoria, corriente transitoria, e intensidad del campo eléctrico en diferentes condiciones de trabajo. Se puede ver en la tabla que los errores relativos entre los resultados experimentales y los resultados de la simulación en todas las condiciones de trabajo son menores que 8%, lo que indica que el modelo de simulación de elementos finitos establecido en este artículo tiene alta precisión y confiabilidad, y puede simular con precisión el proceso transitorio electromagnético de la torre de postes de 500 kV bajo onda completa de impulso de rayo.

Condiciones de trabajo	Tipo de parámetro	Valor experimental	Valor de simulación	Error relativo (%)
Parte superior de rayo, R=0,5Ω	Media tensión de la torre (kV)	39.3	41.2	4.6
Parte superior de rayo, R=0,5Ω	Corriente de la red de puesta a tierra (el)	0.57	0.59	3.4
Brazo cruzado de rayo, R=0,5Ω	Tensión del brazo transversal (kV)	71.3	74.5	4.3
Conductor de rayo, R=0,5Ω	Tensión de la cadena de aisladores (kV)	71.2	76.8	7.7
Parte superior de rayo, R=1Ω	5m campo eléctrico (×10³V/m)	3.2	3.4	5.9

Las principales razones del pequeño error entre los resultados experimentales y los resultados de la simulación son: (1) La simplificación del modelo de simulación., como ignorar las conexiones de pernos y los componentes pequeños, conduce a ligeras diferencias entre el modelo de simulación y la estructura real; (2) Los factores ambientales en el experimento., como la humedad del aire y la temperatura, tener un pequeño impacto en la distribución del campo electromagnético; (3) El error de medición del propio equipo experimental.. sin embargo, Estos errores están dentro del rango aceptable de ingeniería y investigación académica., que verifica completamente la racionalidad y corrección del modelo de simulación..

en este papel, Se lleva a cabo un estudio exhaustivo sobre las características transitorias electromagnéticas de las torres de postes de líneas de transmisión de 500 kV bajo impulso de rayo de onda completa combinando análisis teóricos., simulación de elementos finitos, y verificación experimental. Las principales conclusiones de la investigación son las siguientes:

(1) Se construye el sistema teórico de características transitorias electromagnéticas de torres de postes de 500kV bajo impulso de rayo.. El impulso de rayo estándar de onda completa. (1.2/50μs) sigue la distribución de función exponencial doble, y el proceso transitorio electromagnético de la torre-polo se rige por las ecuaciones de Maxwell. La respuesta transitoria del poste-torre es el resultado de la acción integral de la distribución de voltaje y corriente., acoplamiento de campo electromagnético, respuesta de aislamiento, y mecanismos de respuesta de puesta a tierra.

(2) Se establece un modelo de simulación tridimensional de elementos finitos de alta precisión de una torre de postes de acero en ángulo de 500 kV.. El modelo considera las características geométricas del cuerpo de la torre., brazo cruzado, cadena aislante, y dispositivo de puesta a tierra, y establece con precisión los parámetros del material y las condiciones límite. Los resultados de la simulación muestran que el modelo puede capturar eficazmente el proceso transitorio electromagnético de la torre del poste bajo el impulso del rayo..

(3) La posición del rayo y la resistencia a tierra son los factores clave que afectan la respuesta electromagnética transitoria de la torre-poste.. Cuando un rayo cae sobre el conductor., La cadena de aisladores soporta el voltaje transitorio más alto. (1425kV), que se encuentra en el estado crítico de descarga disruptiva; cuando un rayo cae sobre la cruz, La intensidad del campo electromagnético cerca de la cruz es la más alta. (6.2×10⁵V/m); cuando un rayo cae en lo alto de la torre, El voltaje y la corriente transitorios en la parte superior de la torre son los más altos.. Con el aumento de la resistencia a tierra de 5Ω a 20Ω, El voltaje transitorio en la parte inferior de la torre aumenta en 277%, y la corriente transitoria en la rejilla de puesta a tierra disminuye en 38.4%, lo que aumenta significativamente el riesgo de descarga disruptiva del aislamiento.

(4) El campo electromagnético transitorio alrededor de la torre del poste tiene características de distribución espacial obvias.. Decae exponencialmente con el aumento de la distancia desde el cuerpo de la torre., y tiene una directividad significativa. La intensidad del campo electromagnético en la dirección del rayo es máxima a la misma distancia..

(5) Los resultados de la verificación experimental muestran que el error relativo entre los resultados experimentales y los resultados de la simulación es menor que 8%, lo que confirma la confiabilidad y precisión del modelo de simulación.. Los resultados de la investigación proporcionan una base teórica y técnica confiable para el diseño de protección contra rayos de torres de postes de líneas de transmisión de 500 kV..

Basado en los resultados de la investigación., Se presentan las siguientes sugerencias de optimización para el diseño de protección contra rayos de torres-postes de líneas de transmisión de 500kV.:

(1) Reforzar la protección de las cadenas de aisladores en condiciones de impacto de rayos sobre conductores.. Se recomienda instalar pararrayos de óxido metálico en las cadenas de aisladores de torres de postes de líneas de transmisión de 500 kV., especialmente en áreas propensas a rayos. El descargador puede limitar la sobretensión transitoria en la cadena de aisladores., evitar la descarga disruptiva del aislamiento, y proteger la cadena de aisladores y el conductor.

(2) Reducir la resistencia a tierra del poste-torre.. Adoptar medidas como ampliar la red de puesta a tierra, colocación de electrodos de puesta a tierra horizontales y verticales, y usar agentes reductores de la resistencia a tierra para reducir la resistencia a tierra de la torre del poste a menos de 5Ω. Esto puede reducir efectivamente el voltaje transitorio en la parte inferior de la torre., aumentar la corriente transitoria inyectada en el suelo, y mejorar el rendimiento de protección contra rayos de la torre de postes.

(3) Optimizar la estructura de la torre-poste.. Para las partes superiores del brazo transversal y de la torre que son propensas a una alta intensidad de campo electromagnético, aumentar adecuadamente el área de la sección transversal del ángulo de acero o utilizar tubos de acero con mejor conductividad para reducir la impedancia de onda del cuerpo de la torre, reduciendo así el voltaje transitorio y la distribución de corriente.. Al mismo tiempo, diseñar razonablemente el espacio entre el brazo transversal y el conductor para aumentar la distancia de aislamiento.

(4) Fortalecer el monitoreo de protección contra rayos de líneas de transmisión. Instale dispositivos de monitoreo de rayos en torres de postes clave de líneas de transmisión de 500 kV para monitorear en tiempo real los parámetros de los rayos. (como el pico de corriente del rayo, forma de onda, posición de ataque) y la respuesta transitoria del poste-torre. Esto puede proporcionar soporte de datos para la optimización del diseño de protección contra rayos y el mantenimiento de líneas de transmisión..

Aunque este artículo ha llevado a cabo una investigación en profundidad sobre las características transitorias electromagnéticas de torres de postes de 500 kV sometidas a impulsos de onda completa, Todavía hay algunos aspectos que deben estudiarse más a fondo en el futuro.:

(1) Investigación sobre características transitorias electromagnéticas bajo formas de onda de impulso de rayo no estándar.. La iluminación natural incluye frentes empinados., cola larga, e impulsos de rayos de múltiples descargas. Las investigaciones futuras deberían centrarse en la respuesta transitoria electromagnética de las torres de postes bajo estas formas de onda no estándar., y evaluar exhaustivamente el rendimiento de protección contra rayos de las torres de postes.

(2) Investigación sobre la influencia de factores ambientales complejos.. La investigación actual no considera la influencia de factores ambientales como la lluvia, nieve, y el viento sobre las características transitorias electromagnéticas de la torre-poste. La investigación futura debería establecer un modelo de simulación que considere factores ambientales complejos., y analizar la influencia de estos factores en la respuesta transitoria del poste-torre.

(3) Investigación sobre el acoplamiento transitorio electromagnético entre torres de postes y equipos adyacentes.. La torre de postes de la línea de transmisión de 500 kV está adyacente a equipos como torres de comunicación y gabinetes de distribución de energía.. El campo electromagnético transitorio generado por la caída de rayos puede tener efectos de acoplamiento en estos equipos adyacentes.. Futuras investigaciones deberían estudiar la interferencia electromagnética entre torres de postes y equipos adyacentes., y presentar las medidas antiinterferencias correspondientes.

(4) Desarrollo de tecnología inteligente de protección contra rayos para torres de postes. Combine tecnologías emergentes como la inteligencia artificial y big data para establecer un sistema inteligente de protección contra rayos para torres de postes de líneas de transmisión de 500 kV.. El sistema puede predecir la caída de rayos, ajustar las medidas de protección contra rayos en tiempo real, y mejorar la capacidad de protección activa contra rayos del sistema eléctrico.