چکیده: به عنوان جزء اصلی خطوط انتقال فشار قوی 500 کیلوولت, برج های قطبی عملکرد دوگانه هادی ها و اتصال به زمین را دارند. صاعقه یکی از تهدیدات اصلی برای عملکرد ایمن و پایدار خطوط انتقال است, و پاسخ گذرای الکترومغناطیسی برج‌های قطبی تحت امواج کامل ضربه رعد و برق مستقیماً بر هماهنگی عایق و طراحی حفاظت از صاعقه کل سیستم قدرت تأثیر می‌گذارد.. در این مقاله, یک مطالعه جامع بر روی ویژگی‌های گذرا الکترومغناطیسی برج‌های قطب خط انتقال 500 کیلوولت تحت موج کامل ضربه رعد و برق با ترکیب تحلیل‌های نظری انجام شده است., شبیه سازی المان محدود, و تست تجربی. اولین, مبانی نظری گذراهای الکترومغناطیسی تحت ضربه رعد و برق شرح داده شده است, از جمله ویژگی های امواج تمام ضربه رعد و برق, قانون توزیع میدان الکترومغناطیسی, و مکانیسم پاسخ گذرا سازه های قطب-برج. سپس, مدل المان محدود سه بعدی با زاویه 500 کیلوولت قطب فولاد-برج با استفاده از نرم افزار ANSYS Maxwell ایجاد شده است, و امواج رعد و برق تمام موج (1.2/50μs) برای شبیه سازی فرآیند گذرا الکترومغناطیسی برج قطبی استفاده می شود. مشخصات توزیع ولتاژ گذرا, جریان گذرا, و میدان الکترومغناطیسی گذرا برج قطب تحت موقعیت های مختلف برخورد صاعقه (بالای برج, بازوی ضربدری, و هادی) و مقادیر مختلف مقاومت زمین مورد تجزیه و تحلیل قرار می گیرند. در همین حال, یک مدل آزمایشی در مقیاس کاهش یافته از برج قطب بر اساس اصل شباهت ساخته شده است, و آزمایش‌های موج کامل ضربه رعد و برق برای تأیید صحت نتایج شبیه‌سازی انجام می‌شود. نتایج نشان می دهد که: (1) موقعیت برخورد صاعقه تأثیر قابل توجهی بر پاسخ گذرای الکترومغناطیسی برج قطبی دارد. ولتاژ و جریان گذرا در بالای برج در هنگام برخورد صاعقه به بالای برج بیشترین مقدار را دارد., و شدت میدان الکترومغناطیسی نزدیک بازوی متقاطع زمانی که صاعقه به بازوی متقاطع برخورد می کند، بیشترین مقدار را دارد. (2) با افزایش مقاومت زمین, ولتاژ گذرا در هر قسمت از برج قطب به طور قابل توجهی افزایش می یابد, و نرخ تضعیف جریان گذرا کاهش می یابد, که خطر فلاش اوور عایق را افزایش می دهد. (3) میدان الکترومغناطیسی گذرا در اطراف برج قطب با افزایش فاصله به صورت تصاعدی تحلیل می‌رود, و شدت میدان الکترومغناطیسی در همان فاصله بزرگترین در جهت برخورد صاعقه است. (4) نتایج شبیه سازی مطابقت خوبی با نتایج تجربی دارد, با خطای کمتر از 8%, که قابلیت اطمینان مدل المان محدود ایجاد شده را تأیید می کند. این مطالعه یک مبنای نظری و پشتیبانی فنی برای بهینه‌سازی طراحی حفاظت در برابر صاعقه فراهم می‌کند, هماهنگی عایق, و عملکرد ایمن دکل های برق 500 کیلوولت خط انتقال.

کلید واژه ها: 500خط انتقال کیلوولت; برج قطب; رعد و برق ضربه تمام موج; گذرای الکترومغناطیسی; شبیه سازی المان محدود; تایید تجربی

با توسعه سریع صنعت برق, 500خطوط انتقال فشار قوی کیلوولت به بخش مهمی از شبکه برق ملی تبدیل شده است, انجام وظیفه مهم انتقال نیرو در مسافت های طولانی و با ظرفیت بالا. عملکرد ایمن و پایدار خطوط انتقال 500 کیلوولت ارتباط مستقیمی با قابلیت اطمینان کل سیستم برق و عملکرد عادی تولید و زندگی اجتماعی دارد.. با این حال, صاعقه یکی از مهمترین بلایای طبیعی است که عملکرد ایمن خطوط انتقال را تهدید می کند. طبق آمار, گسل های ناشی از رعد و برق بیش از 40% از کل خطاهای خطوط انتقال فشار قوی, و در برخی مناطق مستعد رعد و برق, این نسبت حتی می تواند به بیش از 60% [1]. هنگامی که یک صاعقه در یک خط انتقال یا برج قطب رخ می دهد, یک موج کامل رعد و برق قوی ایجاد خواهد شد, که پدیده های گذرا الکترومغناطیسی پیچیده ای را در ساختار قطب-برج القا می کند. این پدیده های گذرا باعث ایجاد اضافه ولتاژ و اضافه جریان در دکل قطب و تجهیزات متصل به آن می شود., که ممکن است منجر به فلاش عایق شود, آسیب تجهیزات, و حتی قطع برق, منجر به خسارات اقتصادی و اثرات اجتماعی هنگفت می شود [2-3].

به عنوان بخش اصلی پشتیبانی و اتصال به زمین خط انتقال, پاسخ گذرای الکترومغناطیسی برج قطب تحت موج کامل ضربه صاعقه موضوع اصلی طراحی حفاظت از صاعقه خط انتقال است.. برج قطب معمولاً از فولاد زاویه دار ساخته می شود, لوله فولادی, یا بتن, و ساختار آن پیچیده است, شامل اجزای متعددی مانند بدنه برج است, بازوی ضربدری, رشته عایق, و دستگاه اتصال به زمین. وقتی رعد و برق می زند, فرآیند گذرای الکترومغناطیسی برج قطب تحت تأثیر عوامل زیادی قرار می گیرد, مانند موقعیت برخورد صاعقه, پارامترهای جریان رعد و برق, مقاومت زمین, و ساختار برج قطبی [4]. از این رو, مطالعه عمیق ویژگی‌های گذرا الکترومغناطیسی برج‌های قطب 500 کیلوولت تحت موج کامل ضربه رعد و برق, تسلط بر قانون توزیع ولتاژ گذرا, جاری, و میدان الکترومغناطیسی, و روشن کردن تأثیر عوامل مختلف بر پاسخ گذرا برای بهینه‌سازی طراحی حفاظت در برابر صاعقه برج‌های قطب اهمیت زیادی دارد., بهبود سطح هماهنگی عایق سیستم قدرت, و اطمینان از عملکرد ایمن و پایدار خطوط انتقال 500 کیلوولت.

در سالهای اخیر, با بهبود مستمر فناوری شبیه سازی کامپیوتری و فناوری تست تجربی, تحقیق در مورد ویژگی های گذرا الکترومغناطیسی تجهیزات قدرت تحت ضربه رعد و برق پیشرفت زیادی داشته است. با این حال, به دلیل ساختار پیچیده برج های قطب 500 کیلوولت و تصادفی بودن شدید صاعقه ها, هنوز مشکلات زیادی در تحقیق در مورد ویژگی های گذرا الکترومغناطیسی برج های قطبی وجود دارد که باید حل شوند.: (1) تحقیقات موجود بیشتر بر عملکرد حفاظت از صاعقه کل خط انتقال متمرکز است, و تحقیق در مورد پاسخ گذرای الکترومغناطیسی خود برج قطبی به اندازه کافی عمیق نیست.; (2) تأثیر موقعیت های مختلف برخورد صاعقه و مقادیر مقاومت زمین بر ویژگی های گذرای الکترومغناطیسی برج قطب به طور سیستماتیک مورد مطالعه قرار نگرفته است.; (3) دقت مدل شبیه‌سازی باید توسط داده‌های آزمایشی قابل اعتمادتر تأیید شود. از این رو, انجام یک مطالعه جامع و عمیق در خصوص ویژگی‌های گذرای الکترومغناطیسی برج‌های قطب خط انتقال 500 کیلوولت تحت موج کامل ضربه صاعقه ضروری است..

محققان خارجی تحقیقات زیادی در مورد حفاظت در برابر صاعقه خطوط انتقال و ویژگی‌های گذرا الکترومغناطیسی برج‌های قطبی انجام داده‌اند.. در دهه 1970, دانشمندانی مانند واگنر برای اولین بار تئوری امواج سیار ولتاژ صاعقه را ارائه کردند, که پایه ای نظری برای مطالعه گذرای الکترومغناطیسی برج های قطبی ایجاد کرد. [5]. با پیشرفت تکنولوژی کامپیوتر, روش های شبیه سازی المان محدود به طور گسترده ای در مطالعه گذرای الکترومغناطیسی برج های قطب استفاده شده است.. مثلا, D'Alessandro و همکاران. با استفاده از نرم افزار COMSOL Multiphysics یک مدل المان محدود دو بعدی از یک برج قطبی خط انتقال ایجاد کرد., فرآیند گذرای الکترومغناطیسی تحت ضربه رعد و برق را شبیه سازی کرد, و قانون توزیع ولتاژ و جریان گذرا را تجزیه و تحلیل کرد [6]. پتراش و همکاران. بررسی تاثیر پارامترهای جریان صاعقه بر پاسخ گذرای الکترومغناطیسی برج‌های قطب از طریق شبیه‌سازی و آزمایش, و یک طرح بهینه‌سازی برای طراحی حفاظت در برابر صاعقه برج‌های قطب پیشنهاد کرد [7]. علاوه بر این, محققان خارجی همچنین تحقیقات زیادی در مورد عملکرد زمینی شدن برج های قطب تحت ضربه صاعقه انجام داده اند., و تأثیر مقاومت زمین و ساختار شبکه اتصال به زمین را بر پاسخ گذرا مطالعه کرد [8-9].

تحقیقات داخلی در مورد ویژگی‌های گذرا الکترومغناطیسی برج‌های قطب خط انتقال 500 کیلوولت تحت ضربه رعد و برق در سال‌های اخیر به سرعت توسعه یافته است.. بسیاری از دانشگاه ها و موسسات تحقیقاتی در این زمینه تحقیقات عمیقی انجام داده اند. مثلا, وانگ و همکاران. با استفاده از نرم افزار ANSYS یک مدل المان محدود سه بعدی از یک برج قطب فولادی با زاویه 500 کیلوولت ایجاد کرد., فرآیند گذرای ضربه رعد و برق را شبیه سازی کرد, و توزیع میدان الکترومغناطیسی گذرا در اطراف برج قطب را تجزیه و تحلیل کرد [10]. لی و همکاران. یک مدل آزمایشی در مقیاس کاهش یافته از یک برج قطبی ساخته شد, آزمایشات موج کامل ضربه رعد و برق را انجام داد, و ویژگی های پاسخ ولتاژ گذرا برج قطب تحت موقعیت های مختلف برخورد صاعقه را مطالعه کرد [11]. ژانگ و همکاران. بررسی تاثیر مقاومت زمین بر پاسخ گذرای الکترومغناطیسی برج‌های قطب 500 کیلوولت از طریق شبیه‌سازی و آزمایش, و روشی را برای کاهش مقاومت زمین برای بهبود عملکرد حفاظت در برابر صاعقه پیشنهاد کرد [12]. با این حال, هنوز در تحقیقات داخلی موجود کمبودهایی وجود دارد: (1) مدل شبیه سازی به اندازه کافی دقیق نیست, و تأثیر برخی سازه های ظریف برج قطب (مانند اتصال فولادهای نبشی و رشته مقره) در پاسخ گذرا در نظر گرفته نمی شود; (2) سیستماتیک بودن تحقیق تجربی قوی نیست, و تایید مدل شبیه سازی جامع نیست; (3) تحقیق در مورد مکانیسم اتصال گذرای الکترومغناطیسی بین برج قطب و هادی به اندازه کافی عمیق نیست..

اهداف اصلی این مقاله عبارتند از: (1) برای تشریح مبانی نظری ویژگی‌های گذرای الکترومغناطیسی برج‌های قطب خط انتقال 500 کیلوولت تحت موج کامل ضربه رعد و برق, از جمله ویژگی های امواج تمام ضربه رعد و برق, قانون توزیع میدان الکترومغناطیسی, و مکانیسم پاسخ گذرا; (2) برای ایجاد یک مدل المان محدود سه بعدی با دقت بالا از یک برج قطب فولادی با زاویه 500 کیلوولت, و شبیه سازی فرآیند گذرای الکترومغناطیسی تحت موج کامل ضربه رعد و برق; (3) برای تجزیه و تحلیل ویژگی های توزیع ولتاژ گذرا, جریان گذرا, و میدان الکترومغناطیسی گذرا برج قطب تحت عوامل تأثیرگذار مختلف (موقعیت برخورد صاعقه, مقاومت زمین); (4) برای ساخت یک مدل آزمایشی در مقیاس کاهش یافته از برج قطب, آزمایش های موج کامل ضربه رعد و برق را انجام دهید, و صحت مدل شبیه سازی را تایید کنید; (5) ارائه پیشنهادهای بهینه سازی برای طراحی حفاظت صاعقه برج های قطب خط انتقال 500 کیلوولت بر اساس نتایج تحقیق.

دامنه تحقیق این مقاله شامل: (1) برج قطب فولادی با زاویه 500 کیلوولت که معمولاً در مهندسی استفاده می شود; (2) موج کامل ضربه رعد و برق با پارامترهای 1.2/50μs (زمان جلو/زمان نیمه پیک) که مطابق با استاندارد IEC می باشد; (3) سه موقعیت معمولی برخورد صاعقه: بالای برج, بازوی ضربدری, و هادی; (4) چهار مقدار مقاومت معمولی زمین: 5اوه, 10اوه, 15اوه, و 20Ω; (5) ویژگی های گذرای الکترومغناطیسی برج قطب, از جمله ولتاژ گذرا, جریان گذرا, و توزیع میدان الکترومغناطیسی گذرا.

این مقاله در شش فصل تنظیم شده است. فصل 1 مقدمه است, که پیشینه و اهمیت تحقیق را تشریح می کند, وضعیت تحقیق در داخل و خارج از کشور را خلاصه می کند, اهداف و محدوده تحقیق را روشن می کند, و ساختار پایان نامه را معرفی می کند. فصل 2 مبانی نظری گذراهای الکترومغناطیسی تحت ضربه رعد و برق را معرفی می کند, از جمله ویژگی های امواج تمام ضربه رعد و برق, نظریه اساسی گذراهای الکترومغناطیسی, و مکانیسم پاسخ گذرا سازه های قطب-برج. فصل 3 استقرار مدل شبیه سازی المان محدود برج قطب 500 کیلوولت را تشریح می کند., از جمله ساده سازی مدل, پارامترهای مواد, شرایط مرزی, و بارگذاری امواج کامل رعد و برق. فصل 4 نتایج شبیه‌سازی ویژگی‌های گذرا الکترومغناطیسی برج قطبی را تحت عوامل تأثیرگذار مختلف تجزیه و تحلیل می‌کند.. فصل 5 طراحی و اجرای مدل تجربی مقیاس کاهش یافته را معرفی می کند, و نتایج شبیه سازی را از طریق تست های تجربی تایید می کند. فصل 6 نتیجه گیری و چشم انداز است, که نتایج اصلی تحقیق را خلاصه می کند, پیشنهادات بهینه سازی را برای طراحی حفاظت در برابر صاعقه برج های قطب 500 کیلوولت ارائه می دهد, و مشتاقانه منتظر جهت تحقیقات آینده است.

ضربه صاعقه نوعی اضافه ولتاژ گذرا با مدت زمان کوتاه و دامنه زیاد است. موج کامل ضربه رعد و برق معمولاً با دو پارامتر تعریف می شود: زمان جلو (T1) و زمان نیمه پیک (T2). طبق گزارش IEC 60060-1 استاندارد, موج کامل ضربه رعد و برق استاندارد دارای زمان جلویی 1.2μs است (تحمل ± 30%) و نیم پیک زمان 50μs (تحمل ± 20%), که به صورت 1.2/50μs ثبت شده است [13]. شکل موج موج کامل ضربه رعد و برق استاندارد در شکل نشان داده شده است 1.

بیان ریاضی موج کامل ضربه رعد و برق استاندارد را می توان با تابع نمایی دوگانه توصیف کرد [14]:

جایی که: \( U_m \) مقدار اوج ولتاژ ضربه رعد و برق است; \( \tau_1 \) ثابت زمان جلو است, که شیب جبهه موج را تعیین می کند; \( \tau_2 \) ثابت زمانی دم است, که مدت دم موج را تعیین می کند; \( تی \) زمان است.

حداکثر مقدار ولتاژ ضربه ای صاعقه تولید شده توسط رعد و برق طبیعی می تواند به صدها کیلوولت تا میلیون ها کیلوولت برسد., و مقدار اوج جریان صاعقه می تواند به ده ها کیلو آمپر تا صدها کیلو آمپر برسد.. برای خطوط انتقال 500 کیلو ولت, سطح ولتاژ ضربه رعد و برق معمولاً 1425 کیلو ولت است, که با توجه به الزامات هماهنگی عایق سیستم قدرت تعیین می شود [15]. هنگامی که یک صاعقه رخ می دهد, موج کامل ضربه رعد و برق از طریق نقطه برخورد به برج قطب تزریق می شود, و سپس در امتداد بدنه برج به سمت زمین پخش شود, القای پدیده های گذرا الکترومغناطیسی پیچیده.

علاوه بر موج کامل 1.2/50μs استاندارد, همچنین امواج رعد و برق در جلوی شیب دار و امواج رعد و برق دم بلند در طبیعت وجود دارد. ضربه صاعقه در جلوی شیب دار زمان جلویی کوتاه تری دارد (کمتر از 1μs) و شیب جبهه موج بالاتر, که تاثیر بیشتری در عایق بودن برج قطب دارد. ضربه رعد و برق دم بلند مدت زمان نیمه اوج بیشتری دارد (بیش از 50μs), که ممکن است باعث آسیب تجمعی به تجهیزات شود. با این حال, موج کامل ضربه رعد و برق استاندارد 1.2/50μs نماینده ترین است, بنابراین این مقاله بر روی ویژگی های گذرای الکترومغناطیسی قطب-برج تحت این شکل موج تمرکز می کند.

فرآیند گذرا الکترومغناطیسی برج قطب تحت ضربه رعد و برق یک مشکل جفت میدان الکترومغناطیسی پیچیده است., که از معادلات ماکسول پیروی می کند [16]. معادلات ماکسول معادلات اساسی هستند که میدان الکترومغناطیسی را توصیف می کنند, از جمله قانون گاوس برای الکتریسیته, قانون گاوس برای مغناطیس, قانون القای الکترومغناطیسی فارادی, و قانون آمپر ماکسول. شکل دیفرانسیل معادلات ماکسول به شرح زیر است:

جایی که: \( \vec{D} \) بردار جابجایی الکتریکی است; \( \rho_v \) چگالی بار حجمی است; \( \vec{B} \) شدت القای مغناطیسی است; \( \vec{E} \) شدت میدان الکتریکی است; \( \vec{H} \) شدت میدان مغناطیسی است; \( \vec{J} \) چگالی جریان است; \( تی \) زمان است.

در تجزیه و تحلیل گذرای الکترومغناطیسی قطب-برج, سازه برج قطب معمولاً به عنوان یک هادی در نظر گرفته می شود, و محیط اطراف آن هوا است. روابط سازنده هادی و هوا به شرح زیر است:

جایی که: \( \وارپسیلون \) مجاز بودن است; \( \در \) نفوذپذیری است; \( \سیگما \) رسانایی است.

هنگامی که موج کامل رعد و برق به برج قطب تزریق می شود, یک جریان متغیر با زمان در بدنه برج تولید می شود, که یک میدان الکترومغناطیسی متغیر با زمان را در اطراف برج قطب تحریک می کند. میدان الکترومغناطیسی متغیر با زمان باعث ایجاد جریان های گردابی در هادی برج قطبی می شود., و جفت الکترومغناطیسی بین بدنه برج وجود خواهد داشت, بازوی ضربدری, رشته عایق, و هادی. پاسخ گذرای الکترومغناطیسی برج قطب نتیجه برهمکنش بین ضربه رعد و برق تزریق شده است., میدان الکترومغناطیسی, و ساختار برج قطبی.

سازه برج قطب یک سازه خرپایی فضایی پیچیده است که از فولادهای چند زاویه ای که توسط پیچ و مهره به هم متصل شده اند تشکیل شده است.. وقتی صاعقه به برج قطب برخورد می کند, مکانیسم پاسخ گذرا برج قطب عمدتاً شامل جنبه های زیر است:

(1) مکانیزم توزیع ولتاژ و جریان: ولتاژ ضربه رعد و برق تزریق شده از نقطه برخورد در طول بدنه برج توزیع می شود. با توجه به ظرفیت توزیع شده و اندوکتانس بدنه برج, ولتاژ و جریان در طول فرآیند انتشار یک اثر موج سیار خواهند داشت. امپدانس موج بدنه برج پارامتر مهمی است که بر توزیع ولتاژ و جریان تأثیر می گذارد. امپدانس موج برج قطب فولادی زاویه ای معمولا بین 100Ω و 300Ω است., که مربوط به سطح مقطع بدنه برج می باشد, فاصله بین فولادهای زاویه, و ارتفاع برج [17].

(2) مکانیسم اتصال میدان الکترومغناطیسی: جریان متغیر زمان در بدنه برج یک میدان الکترومغناطیسی متغیر با زمان در اطراف برج قطب ایجاد می کند.. میدان الکترومغناطیسی باعث القای ولتاژ و جریان در هادی ها و اجزای فلزی مجاور می شود, که اثر القای الکترومغناطیسی است. همزمان, میدان الکترومغناطیسی نیز با دستگاه زمینی برج قطبی تعامل خواهد داشت, بر جریان اتصال زمین و ولتاژ زمین تأثیر می گذارد [18].

(3) مکانیسم واکنش عایق: رشته عایق بین برج قطب و هادی یک جزء مهم عایق است. تحت عمل ولتاژ ضربه رعد و برق, رشته عایق یک ولتاژ گذرا بالا را تحمل می کند. اگر ولتاژ گذرا از قدرت عایق رشته مقره بیشتر شود, فلاش عایق رخ خواهد داد, منجر به اتصال کوتاه بین هادی و برج قطب می شود [19].

(4) مکانیسم پاسخ به زمین: دستگاه اتصال زمین برج قطب برای هدایت جریان صاعقه به داخل زمین و کاهش ولتاژ اتصال به زمین استفاده می شود.. تحت اثر ضربه رعد و برق, مقاومت زمینی دستگاه اتصال به زمین ویژگی های گذرا را نشان می دهد. به دلیل اثر پوستی و یونیزه شدن خاک, مقاومت زمین گذرا معمولاً کمتر از مقاومت اتصال به زمین در حالت پایدار است, اما قانون تغییر پیچیده است [20]. پاسخ زمین مستقیماً بر میزان تضعیف جریان صاعقه و توزیع ولتاژ گذرا بر روی برج قطب تأثیر می گذارد..

به طور خلاصه, پاسخ گذرای الکترومغناطیسی برج قطب تحت ضربه رعد و برق نتیجه جامع مکانیزم های متعدد مانند توزیع ولتاژ و جریان است., جفت میدان الکترومغناطیسی, پاسخ عایق, و پاسخ به زمین. برای تجزیه و تحلیل دقیق ویژگی های گذرای الکترومغناطیسی برج قطب, لازم است این مکانیسم ها به طور جامع در نظر گرفته شود و یک مدل ریاضی و مدل شبیه سازی منطقی ایجاد شود.

برج قطب فولادی با زاویه 500 کیلوولت مورد مطالعه در این مقاله یک برج معمولی از نوع است., با ارتفاع کل 45 متر, عرض پایه 8 متر, و طول بازوی ضربدری 12 متر. بدنه برج از فولادهای زاویه Q355 تشکیل شده است, با اندازه های مقطع مختلف در ارتفاع های مختلف. بازوی متقاطع نیز از فولادهای زاویه Q355 تشکیل شده است, و رشته عایق از پلاستیک تقویت شده با الیاف شیشه ساخته شده است. به دلیل ساختار پیچیده برج قطب, لازم است مدل در طول فرآیند مدل‌سازی اجزای محدود ساده‌سازی شود تا کارایی محاسبات با فرض اطمینان از صحت محاسبات بهبود یابد..

اقدامات ساده سازی اصلی به شرح زیر است: (1) اتصالات پیچی بین فولادهای زاویه دار را نادیده بگیرید, و فرض کنید که اتصالات صلب هستند; (2) رشته مقره را به عنوان یک عایق استوانه ای با قطر و طول معادل ساده کنید.; (3) از اجزای کوچک مانند صفحه پایه برج و گیره کابل چشم پوشی کنید, که تاثیر کمی بر پاسخ گذرای الکترومغناطیسی دارند; (4) دستگاه ارت به صورت یک شبکه زمین افقی به طول 20 متر ساده شده است, عرض 20 متر, و عمق دفن 0.8 متر, و هادی اتصال زمین فولادی گرد با قطر 12 میلی متر است.

بر اساس اقدامات ساده سازی فوق, مدل هندسی سه بعدی برج قطب 500 کیلوولت با استفاده از نرم افزار ANSYS DesignModeler ایجاد شده است.. مدل هندسی شامل بدنه برج است, بازوی ضربدری, رشته عایق, رهبر ارکستر, و دستگاه اتصال به زمین. هادی یک هادی انتقال متناوب 500 کیلو ولت با قطر 25 میلی متر است. مدل در شکل نشان داده شده است 2.

مواد اصلی درگیر در مدل برج قطبی شامل فولاد Q355 است (بدنه برج, بازوی ضربدری, هادی زمین), پلاستیک تقویت شده با الیاف شیشه (رشته عایق), هوا (محیط اطراف), و خاک (محیط زمین). پارامترهای مواد در جدول نشان داده شده است 1.

ماده	رسانایی σ (S/m)	Permittivity ε (F/M)	نفوذپذیری μ (H/M)	چگالی ρ (کیلوگرم بر متر مکعب)
فولاد Q355	5.8×10⁶	8.85×10-1²	4π×10-7	7850
پلاستیک تقویت شده با الیاف شیشه	1×10-1²	3.54×10-11	4π×10-7	1800
هوا	1×10-15	8.85×10-1²	4π×10-7	1.29
خاک	0.01	1.77×10-10	4π×10-7	1800

لازم به ذکر است که رسانایی خاک تحت تأثیر عواملی مانند نوع خاک است, محتوای رطوبت, و دما. در این مقاله, رسانایی خاک به عنوان در نظر گرفته می شود 0.01 S/m, که مقدار متوسط ​​خاک لومی است که معمولاً در مهندسی استفاده می شود [21]. گذردهی پلاستیک تقویت شده با الیاف شیشه است 4 برابر هوا, که با توجه به پارامترهای مواد ارائه شده توسط سازنده تعیین می شود.

تولید مش یک مرحله کلیدی در شبیه سازی المان محدود است, که مستقیماً بر دقت محاسبات و کارایی محاسبات تأثیر می گذارد. تولید مش مدل قطب-برج با استفاده از نرم افزار ANSYS Meshing انجام شده است. با توجه به ساختار پیچیده قطب-برج و نیاز زیاد به دقت محاسباتی برای میدان الکترومغناطیسی نزدیک بدنه برج, استراتژی های تولید مش زیر اتخاذ شده است:

(1) از مش چهاروجهی برای بدنه برج استفاده کنید, بازوی ضربدری, رشته عایق, رهبر ارکستر, و دستگاه اتصال به زمین, که می تواند با شکل هندسی پیچیده سازگار شود; (2) از مش شش وجهی برای مناطق هوا و خاک استفاده کنید, که دقت و کارایی محاسباتی بالاتری دارد; (3) اصلاح مش را برای مناطقی با گرادیان میدان الکترومغناطیسی بزرگ انجام دهید, مانند نقطه برخورد صاعقه, اتصال بین بدنه برج و بازوی متقاطع, و شبکه زمین; (4) حداکثر اندازه مش را کنترل کنید: حداکثر اندازه مش بدنه برج و بازوی متقاطع 0.5 متر است, حداکثر اندازه مش رشته و هادی عایق 0.2 متر است, حداکثر اندازه مش شبکه زمین 0.3 متر است, و حداکثر اندازه توری مناطق هوا و خاک 2 متر است.

پس از تولید مش, تعداد کل عناصر مش مدل است 1,256,800, و تعداد کل گره ها می باشد 2,345,600. کیفیت مش بررسی می شود, و میانگین نسبت ابعاد است 1.8, که الزامات محاسبه المان محدود را برآورده می کند.

3.4.1 شرایط مرزی

شرایط مرزی مدل شبیه سازی به صورت زیر تنظیم شده است: (1) مرز میدان دور برای منطقه هوایی تعیین شده است. مرز میدان دور یک مرز غیر بازتابنده است, که می تواند گسترش بی نهایت هوا را شبیه سازی کند و از انعکاس امواج الکترومغناطیسی در مرز جلوگیری کند., بر نتایج شبیه سازی تاثیر می گذارد; (2) مرز زمین برای منطقه خاک تعیین شده است. مرز زمین به عنوان یک مرز رسانا کامل تنظیم شده است, با فرض اینکه خاک بی نهایت عمیق است, و امواج الکترومغناطیسی کاملا جذب خاک می شود; (3) مرز تقارن تنظیم نشده است, زیرا صاعقه یک بار نامتقارن است, و پاسخ گذرای الکترومغناطیسی قطب-برج نیز نامتقارن است.

3.4.2 در حال بارگیری تنظیمات

موج کامل ضربه رعد و برق به عنوان منبع ولتاژ در نقطه برخورد بارگذاری می شود. با توجه به محدوده تحقیق این مقاله, سه موقعیت معمولی برخورد صاعقه انتخاب شده است: (1) بالای برج: منبع ولتاژ در گره بالای بدنه برج بارگذاری می شود; (2) بازوی ضربدری: منبع ولتاژ در گره انتهایی بازوی متقاطع بارگذاری می شود; (3) رهبر ارکستر: منبع ولتاژ در گره میانی هادی بارگذاری می شود.

پارامترهای موج کامل ضربه رعد و برق مطابق با IEC تنظیم می شوند 60060-1 استاندارد: زمان جلو 1.2μs, زمان نیمه پیک 50μs, و پیک ولتاژ 1425 کیلو ولت (سطح ولتاژ ضربه رعد و برق خطوط انتقال 500 کیلوولت). شکل موج ولتاژ با استفاده از تابع نمایی دوگانه در نرم افزار ANSYS Maxwell تولید می شود, و گام زمانی روی 0.01μs تنظیم شده است تا اطمینان حاصل شود که فرآیند گذرا به طور دقیق ثبت شده است. زمان شبیه سازی روی 200μs تنظیم شده است, که کل فرآیند موج کامل ضربه صاعقه از ظهور تا فروپاشی را پوشش می دهد.

علاوه بر این, مقاومت زمین با افزودن یک مرز مقاومت در شبکه اتصال به زمین شبیه سازی می شود. چهار مقدار مختلف مقاومت زمین (5اوه, 10اوه, 15اوه, و 20Ω) قرار است تأثیر مقاومت زمین را بر پاسخ گذرای الکترومغناطیسی برج قطبی مطالعه کنند.

محاسبات شبیه سازی با استفاده از ماژول میدان الکترومغناطیسی گذرا نرم افزار ANSYS Maxwell انجام شده است.. حل کننده روی حل کننده دامنه زمانی تنظیم شده است, که برای شبیه سازی میدان الکترومغناطیسی گذرا با ویژگی های متغیر زمان مناسب است. روش محاسبه روش اجزای محدود است, که دامنه راه حل را به تعداد زیادی از عناصر محدود گسسته می کند, و معادلات ماکسول را در هر عنصر حل می کند تا توزیع میدان الکترومغناطیسی را بدست آورد.

در طول فرآیند محاسبه, پارامترهای زیر تنظیم شده است: (1) شرط اولیه صفر است, به این معنا که, شدت میدان الکتریکی اولیه و شدت میدان مغناطیسی در حوزه محلول صفر است; (2) معیار همگرایی روی 1×10-6 تنظیم شده است, که دقت محاسبات را تضمین می کند; (3) شتاب سخت افزاری فعال است, استفاده از GPU برای تسریع در محاسبه, که کارایی محاسبات را بهبود می بخشد.

پس از محاسبات شبیه سازی, ولتاژ گذرا, جریان گذرا, و توزیع میدان الکترومغناطیسی گذرا هر قسمت از برج قطب در زمان های مختلف را می توان از طریق ماژول پس پردازش نرم افزار ANSYS Maxwell بدست آورد..

شکل 3 شکل موج ولتاژ گذرا قسمت های مختلف برج قطب را در هنگام برخورد صاعقه به بالای برج نشان می دهد. (مقاومت زمین 10 اهم است). از شکل قابل مشاهده است 3 که ولتاژ گذرا هر قسمت از برج قطب با افزایش موج کامل ضربه رعد و برق به سرعت افزایش می یابد., در حدود 1.2μs به حداکثر مقدار می رسد, و سپس با پوسیدگی دم موج به تدریج پوسیده می شود.

مقادیر پیک ولتاژ گذرا در قسمت های مختلف به شرح زیر است: بالای برج 1425 کیلو ولت است (برابر با مقدار پیک ولتاژ ضربه رعد و برق بارگذاری شده است), وسط بدنه برج (22.5ارتفاع متر) 785 کیلو ولت است, پایین بدنه برج (0ارتفاع متر) 125 کیلو ولت است, انتهای بازوی متقاطع 650 کیلوولت است, و رشته عایق 580 کیلو ولت است. ولتاژ گذرا به تدریج از بالای دکل به پایین دکل کاهش می یابد, به این دلیل که بدنه برج امپدانس موج خاصی دارد, و ولتاژ ضربه رعد و برق در طول فرآیند انتشار در طول بدنه برج کاهش می یابد.

ولتاژ گذرا روی رشته مقره ولتاژ بین بازوی متقاطع و هادی است.. وقتی صاعقه به بالای برج برخورد می کند, بازوی متقاطع در یک ولتاژ گذرا بالا است, در حالی که هادی مستقیماً مورد اصابت صاعقه قرار نمی گیرد, بنابراین ولتاژ گذرا روی رشته مقره، تفاوت بین ولتاژ گذرا بازوی متقاطع و هادی است.. مقدار پیک ولتاژ گذرا در رشته مقره 580 کیلو ولت است, که از مقاومت عایق رشته مقره 500 کیلوولت کمتر است (1425کیلو ولت), بنابراین هیچ فلاش عایق رخ نمی دهد.

شکل 4 شکل موج جریان گذرا قسمت های مختلف برج قطب را در هنگام برخورد صاعقه به بالای برج نشان می دهد. (مقاومت زمین 10 اهم است). جریان گذرا هر قسمت از برج قطب نیز با افزایش موج کامل ضربه رعد و برق به سرعت افزایش می یابد., در حدود 1.5μs به حداکثر مقدار می رسد, و سپس به تدریج پوسیده می شود.

مقادیر پیک جریان گذرا در قسمت های مختلف به شرح زیر است: بالای برج 14.25 کیلو آمپر است, وسط بدنه برج 12.8 کیلو آمپر است, پایین بدنه برج 11.5 کیلو آمپر است, و شبکه زمین 11.5 کیلو آمپر است. جریان گذرا از بالای برج به پایین برج کمی کاهش می یابد, به این دلیل که بخش کوچکی از جریان از طریق ظرفیت توزیع شده بدنه برج به زمین نشت می کند.. جریان گذرا شبکه اتصال زمین برابر با جریان گذرا در پایین بدنه برج است, که نشان می دهد تمام جریان پایین بدنه برج از طریق شبکه اتصال به زمین وارد زمین می شود..

شکل موج جریان گذرا کمی با ولتاژ گذرا متفاوت است. زمان اوج جریان گذرا دیرتر از زمان ولتاژ گذرا است, دلیل آن این است که اندوکتانس بدنه برج و شبکه اتصال به زمین باعث عقب ماندن جریان از ولتاژ می شود..

شکل 5 توزیع میدان الکترومغناطیسی گذرا را در اطراف برج قطب در t = 1.2μs نشان می دهد (زمان اوج ولتاژ گذرا) هنگام برخورد صاعقه به بالای برج (مقاومت زمین 10 اهم است). شدت میدان الکترومغناطیسی در نزدیکی بالای برج بیشترین میزان را دارد, با مقدار پیک 5.8×105 V/m (شدت میدان الکتریکی) و 1.5×10³ A/M (شدت میدان مغناطیسی).

میدان الکترومغناطیسی گذرا در اطراف برج قطب با افزایش فاصله به صورت تصاعدی تحلیل می‌رود. زمانی که فاصله از بدنه برج 5 متر باشد, شدت میدان الکتریکی 1.2×105 V/m است, و شدت میدان مغناطیسی 3.2×10² A/m است; زمانی که فاصله 10 متر است, شدت میدان الکتریکی 2.8×104 V/m است, و شدت میدان مغناطیسی 7.5×10¹ A/m است; زمانی که فاصله 20 متر است, شدت میدان الکتریکی 6.8×10³ V/m است, و شدت میدان مغناطیسی 1.8×10¹ A/m است. این قانون توزیع با ویژگی های موج الکترومغناطیسی میدان نزدیک تولید شده توسط جریان گذرا مطابقت دارد.

علاوه بر این, شدت میدان الکترومغناطیسی جهت آشکاری دارد. شدت میدان الکترومغناطیسی در جهت برخورد صاعقه (جهت عمودی) در جهت افقی بالاتر از آن است, زیرا جریان گذرا در بدنه برج عمدتاً عمودی است, و میدان الکترومغناطیسی تولید شده توسط جریان عمودی در جهت عمودی قوی تر است.

شکل 6 شکل موج ولتاژ گذرا قسمت های مختلف برج قطب را در هنگام برخورد صاعقه به بازوی متقاطع نشان می دهد. (مقاومت زمین 10 اهم است). در مقایسه با برخورد صاعقه در بالای برج, ولتاژ گذرا بازوی متقاطع بالاترین است, با حداکثر مقدار 1425 کیلوولت. ولتاژ گذرا در بالای برج 980 کیلو ولت است, وسط بدنه برج 560 کیلو ولت است, پایین بدنه برج 105 کیلو ولت است, و رشته عایق 850 کیلو ولت است.

ولتاژ گذرا در رشته مقره به طور قابل توجهی بیشتر از ولتاژ زمانی است که صاعقه به بالای برج برخورد می کند.. این به این دلیل است که وقتی صاعقه به بازوی ضربدری برخورد می کند, بازوی متقاطع مستقیماً در اوج ولتاژ ضربه رعد و برق قرار دارد, و هادی به بازوی متقاطع نزدیک است, بنابراین اختلاف ولتاژ بین بازوی متقاطع و هادی بزرگتر است. مقدار پیک ولتاژ گذرا در رشته مقره 850 کیلو ولت است, که باز هم از مقاومت عایق رشته مقره کمتر است, بنابراین هیچ فلاش عایق رخ نمی دهد. با این حال, اگر ولتاژ ضربه صاعقه بیشتر باشد یا عملکرد عایق رشته مقره کاهش یابد., فلاش عایق ممکن است رخ دهد.

شکل 7 شکل موج جریان گذرا قسمت های مختلف برج قطب را در هنگام برخورد صاعقه به بازوی متقاطع نشان می دهد (مقاومت زمین 10 اهم است). مقدار پیک جریان گذرا در بازوی متقاطع 14.25 کیلو آمپر است, بالای برج 4.8 کیلو آمپر است, وسط بدنه برج 9.5 کیلو آمپر است, پایین بدنه برج 11.2 کیلو آمپر است, و شبکه زمین 11.2 کیلو آمپر است.

در مقایسه با برخورد صاعقه در بالای برج, جریان گذرا در بالای برج به طور قابل توجهی کوچکتر است, در حالی که جریان گذرا در وسط بدنه برج کمی کوچکتر است. این به این دلیل است که وقتی صاعقه به بازوی ضربدری برخورد می کند, جریان به دو بخش تقسیم می شود: یک قسمت به بالای برج می ریزد, و قسمت دیگر به سمت پایین برج می ریزد. به دلیل امپدانس موج بالاتر بالای برج, بیشتر جریان به سمت پایین برج می رود و از طریق شبکه اتصال به زمین تزریق می شود..

شکل 8 توزیع میدان الکترومغناطیسی گذرا در اطراف برج قطب را در t=1.2μs هنگام برخورد صاعقه به بازوی متقاطع نشان می دهد. (مقاومت زمین 10 اهم است). شدت میدان الکترومغناطیسی نزدیک بازوی متقاطع بیشترین میزان را دارد, با مقدار پیک 6.2×105 V/m (شدت میدان الکتریکی) و 1.6×10³ A/M (شدت میدان مغناطیسی), که در هنگام برخورد صاعقه به بالای برج بالاتر از آن است.

میدان الکترومغناطیسی گذرا در اطراف برج قطب نیز با افزایش فاصله به طور تصاعدی تحلیل می‌رود.. زمانی که فاصله از بازوی ضربدری 5 متر باشد, شدت میدان الکتریکی 1.3×105 V/m است, و شدت میدان مغناطیسی 3.4×10² A/m است; زمانی که فاصله 10 متر است, شدت میدان الکتریکی 3.0×104 V/m است, و شدت میدان مغناطیسی 7.8×10¹ A/m است. جهت میدان الکترومغناطیسی نیز آشکار است, و شدت میدان الکترومغناطیسی در جهت عمود بر بازوی متقاطع بیشتر از سایر جهات است..

شکل 9 شکل موج ولتاژ گذرا قسمت های مختلف برج قطب را در هنگام برخورد صاعقه به هادی نشان می دهد. (مقاومت زمین 10 اهم است). وقتی صاعقه به هادی برخورد می کند, ولتاژ گذرا هادی 1425 کیلو ولت است, رشته عایق 1425 کیلو ولت است (برابر ولتاژ هادی), بازوی متقاطع 575 کیلو ولت است, بالای برج 480 کیلو ولت است, وسط بدنه برج 320 کیلو ولت است, و پایین بدنه برج 85 کیلو ولت است.

ولتاژ گذرا در رشته مقره زمانی که رعد و برق به هادی برخورد می کند بیشترین مقدار را دارد, که برابر با مقدار پیک ولتاژ ضربه رعد و برق است. این به این دلیل است که هادی مستقیماً با صاعقه برخورد می کند, و رشته عایق ولتاژ کامل ضربه صاعقه را تحمل می کند. مقدار پیک ولتاژ گذرا در رشته مقره 1425 کیلو ولت است, که برابر با مقاومت عایق رشته مقره است. در این زمان, رشته عایق در حالت بحرانی فلاش اوور عایق قرار دارد. اگر ولتاژ ضربه رعد و برق کمی بیشتر باشد, فلاش عایق رخ خواهد داد, منجر به اتصال کوتاه بین هادی و بازوی متقاطع می شود.

شکل 10 شکل موج جریان گذرا قسمت های مختلف برج قطب را در هنگام برخورد صاعقه به هادی نشان می دهد (مقاومت زمین 10 اهم است). مقدار پیک جریان گذرا در هادی 14.25 کیلو آمپر است, رشته عایق 14.25 کیلو آمپر است, بازوی متقاطع 12.5 کیلو آمپر است, بالای برج 3.2 کیلو آمپر است, وسط بدنه برج 9.8 کیلو آمپر است, پایین بدنه برج 11.0kA است, و شبکه زمین 11.0kA است.

وقتی صاعقه به هادی برخورد می کند, جریان از طریق رشته عایق به بازوی متقاطع منتقل می شود, سپس به دو قسمت تقسیم می شود: یک قسمت به بالای برج می ریزد, و قسمت دیگر به سمت پایین برج می ریزد. جریانی که به پایین برج می رسد از طریق شبکه ارتینگ به زمین تزریق می شود. جریان گذرا در بازوی متقاطع کمی کوچکتر از جریان رسانا است, دلیل آن این است که بخش کوچکی از جریان از طریق ظرفیت توزیع شده بازوی متقاطع به هوا نشت می کند..

شکل 11 توزیع میدان الکترومغناطیسی گذرا در اطراف برج قطب را در t=1.2μs هنگام برخورد صاعقه به هادی نشان می دهد. (مقاومت زمین 10 اهم است). شدت میدان الکترومغناطیسی در نزدیکی هادی و رشته عایق بیشترین میزان را دارد, با مقدار پیک 6.5×105 V/m (شدت میدان الکتریکی) و 1.7×10³ A/M (شدت میدان مغناطیسی), که در هنگام برخورد صاعقه به بالای برج و بازوی ضربدری بالاتر از آن است.

میدان الکترومغناطیسی گذرا در اطراف برج قطب با افزایش فاصله به صورت تصاعدی تحلیل می‌رود. زمانی که فاصله از هادی 5 متر باشد, شدت میدان الکتریکی 1.4×105 V/m است, و شدت میدان مغناطیسی 3.6×10² A/m است; زمانی که فاصله 10 متر است, شدت میدان الکتریکی 3.2×104 V/m است, و شدت میدان مغناطیسی 8.2×10¹ A/m است. میدان الکترومغناطیسی در جهت موازی با هادی بیشتر از سایر جهات است.

برای مطالعه تاثیر مقاومت زمین بر ویژگی های گذرای الکترومغناطیسی برج قطب, چهار مقدار مختلف مقاومت زمین (5اوه, 10اوه, 15اوه, و 20Ω) انتخاب می شوند, و موقعیت برخورد صاعقه در بالای برج ثابت است. تغییر مقدار پیک ولتاژ و جریان گذرا در قسمت های مختلف برج قطب با مقاومت زمین در جدول نشان داده شده است. 2.

مقاومت (اوه)	اوج ولتاژ گذرا در بالای برج (کیلو ولت)	اوج ولتاژ گذرا در پایین برج (کیلو ولت)	اوج جریان گذرا در بالای برج (را)	اوج جریان گذرا در شبکه زمین (را)
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

از جدول قابل مشاهده است 2 که مقدار پیک ولتاژ گذرا در بالای دکل تحت تأثیر مقاومت زمین قرار نمی گیرد, که همیشه برابر با مقدار پیک ولتاژ ضربه ای صاعقه بارگذاری شده است. با این حال, مقدار پیک ولتاژ گذرا در پایین برج با افزایش مقاومت زمین به طور قابل توجهی افزایش می یابد.. هنگامی که مقاومت زمین از 5Ω به 20Ω افزایش می یابد, مقدار پیک ولتاژ گذرا در پایین برج از 65 کیلو ولت به 245 کیلو ولت افزایش می یابد., افزایش 277%.

مقدار پیک جریان گذرا در بالای برج نیز تحت تأثیر مقاومت زمین قرار نمی گیرد, در حالی که مقدار پیک جریان گذرا در شبکه اتصال به زمین با افزایش مقاومت زمین کاهش می یابد. هنگامی که مقاومت زمین از 5Ω به 20Ω افزایش می یابد, مقدار پیک جریان گذرا در شبکه زمین از 13.8 کیلو آمپر به 8.5 کیلو آمپر کاهش می یابد., کاهش از 38.4%. این به این دلیل است که افزایش مقاومت زمین باعث افزایش امپدانس حلقه اتصال به زمین می شود, کاهش جریان تزریق شده به زمین.

افزایش ولتاژ گذرا در پایین برج و کاهش جریان گذرا در شبکه اتصال زمین، خطر فلاش عایق برج قطب و تجهیزات متصل را افزایش می دهد.. از این رو, کاهش مقاومت زمین یک اقدام موثر برای بهبود عملکرد حفاظت در برابر صاعقه برج قطب است.

بر اساس تجزیه و تحلیل شبیه سازی فوق, نتیجه گیری اصلی در مورد ویژگی های گذرا الکترومغناطیسی برج قطب 500 کیلوولت تحت موج کامل ضربه رعد و برق به شرح زیر است.:

(1) موقعیت برخورد صاعقه تأثیر قابل توجهی بر پاسخ گذرای الکترومغناطیسی برج قطبی دارد. وقتی صاعقه به هادی برخورد می کند, ولتاژ گذرا در رشته مقره بالاترین است, که در حالت بحرانی فلاش اوور عایق قرار دارد; وقتی صاعقه به بازوی ضربدری برخورد می کند, شدت میدان الکترومغناطیسی نزدیک بازوی متقاطع بالاترین است; هنگام برخورد صاعقه به بالای برج, ولتاژ و جریان گذرا در بالای دکل بیشترین مقدار را دارند.

(2) ولتاژ گذرا برج قطب به تدریج از نقطه ضربه به پایین برج کاهش می یابد., و جریان گذرا نیز اندکی کاهش می یابد. میدان الکترومغناطیسی گذرا در اطراف برج قطب با افزایش فاصله به صورت تصاعدی تحلیل می‌رود, و جهت دهی آشکار دارد.

(3) مقاومت زمین تاثیر قابل توجهی بر پاسخ گذرای الکترومغناطیسی برج قطب دارد. با افزایش مقاومت زمین, ولتاژ گذرا در پایین برج به طور قابل توجهی افزایش می یابد, و جریان گذرا در شبکه اتصال زمین کاهش می یابد, که خطر فلاش اوور عایق را افزایش می دهد.

(4) ریسمان مقره در هنگام برخورد صاعقه به هادی بیشترین ولتاژ گذرا را تحمل می کند, که خطرناک ترین شرایط کاری برای رشته مقره است. از این رو, در طراحی حفاظت از صاعقه برج قطب, در هنگام برخورد صاعقه به هادی باید به حفاظت از رشته عایق توجه ویژه ای شود.

برای بررسی صحت مدل شبیه سازی المان محدود, یک مدل آزمایشی در مقیاس کاهش یافته از برج قطب 500 کیلوولت بر اساس اصل شباهت ساخته شده است.. اصل تشابه مستلزم این است که پارامترهای هندسی, پارامترهای مواد, و پارامترهای بار مدل مقیاس کاهش یافته مشابه نمونه اولیه است [22]. نسبت مقیاس مدل مقیاس کاهش یافته به نمونه اولیه بر روی تنظیم شده است 1:20, که با توجه به اندازه آزمایشگاه و ظرفیت مولد ضربه صاعقه تعیین می شود.

پارامترهای هندسی مدل مقیاس کاهش یافته به شرح زیر است: ارتفاع کل بدنه برج 2.25 متر است, عرض پایه 0.4 متر است, طول بازوی متقاطع 0.6 متر است. بدنه برج و بازوی متقاطع از فولادهای زاویه Q235 با ابعاد مقطع 5mm×5mm×0.5mm ساخته شده است.. رشته عایق از شیشه آلی با قطر 2 میلی متر و طول 50 میلی متر ساخته شده است. هادی یک سیم مسی با قطر 1.25 میلی متر است. دستگاه اتصال به زمین یک شبکه ارت افقی به طول 1 متر است, عرض 1 متر, و عمق دفن 0.04 متر, و هادی زمین یک سیم مسی با قطر 0.6 میلی متر است.

از نظر تطبیق پارامتر مواد, طبق اصل تشابه, اجازه نسبی, نفوذپذیری نسبی و رسانایی مواد باید با نمونه اولیه سازگار باشد تا از شباهت ویژگی های الکترومغناطیسی اطمینان حاصل شود.. فولاد Q235 مورد استفاده در مدل مقیاس کاهش یافته دارای رسانایی 5.0×106 S/m است., که نزدیک به 5.8×106 S/m فولاد Q355 در نمونه اولیه است., و تفاوت در محدوده قابل قبول خطاهای آزمایشی است. گذردهی نسبی شیشه های آلی است 3.2, که نزدیک به 4.0 از پلاستیک تقویت شده با الیاف شیشه در نمونه اولیه, و می تواند الزامات شبیه سازی عملکرد عایق را برآورده کند. خاک مورد استفاده در آزمایش از نوع لومی با رسانایی است 0.01 S/m, که همان چیزی است که در مدل شبیه سازی تنظیم شده است.

برای تطبیق پارامتر بار, موج کامل ضربه رعد و برق اعمال شده به مدل مقیاس کاهش یافته باید نسبت شباهت ولتاژ را برآورده کند.. با توجه به نسبت مقیاس هندسی از 1:20, نسبت مقیاس ولتاژ نیز می باشد 1:20. از این رو, مقدار پیک ولتاژ ضربه رعد و برق اعمال شده در مدل مقیاس کاهش یافته 1425 کیلو ولت است. / 20 = 71.25 کیلو ولت, و پارامترهای شکل موج هنوز 1.2/50μs هستند, که با الزامات استاندارد مطابقت دارد.

سیستم آزمایشی عمدتاً از یک مولد ضربه رعد و برق تشکیل شده است, یک مدل برج قطبی با مقیاس کاهش یافته, یک سیستم اندازه گیری, و سیستم زمین, همانطور که در شکل نشان داده شده است 12. مولد ضربه رعد و برق از نوع GS-100kV است, که می تواند امواج کامل ضربان صاعقه استاندارد 1.2/50μs را با حداکثر ولتاژ قابل تنظیم از 0 تا 100 کیلو ولت, برآورده کردن الزامات بار آزمایشی.

سیستم اندازه گیری شامل یک تقسیم کننده ولتاژ بالا است, یک سنسور جریان, یک حسگر میدان الکترومغناطیسی, و یک سیستم جمع آوری داده ها. تقسیم کننده ولتاژ بالا یک تقسیم کننده ولتاژ خازنی با نسبت تقسیم ولتاژ 1000:1, که برای اندازه گیری ولتاژ گذرا هر قسمت از برج قطب استفاده می شود. سنسور فعلی یک سیم پیچ Rogowski با محدوده اندازه گیری 0-20kA و پهنای باند 10Hz-10MHz است., که برای اندازه گیری جریان گذرای بدنه دکل و شبکه اتصال به زمین استفاده می شود. سنسور میدان الکترومغناطیسی یک کاوشگر میدان الکترومغناطیسی پهن باند با محدوده اندازه گیری 1V/m-106 V/m است. (میدان الکتریکی) و 0.1A/m-10³ A/m (میدان مغناطیسی), که برای اندازه گیری میدان الکترومغناطیسی گذرا در اطراف برج قطب استفاده می شود. سیستم جمع آوری داده ها از یک اسیلوسکوپ دیجیتال با نرخ نمونه برداری 1GS/s و عمق ذخیره سازی 10M استفاده می کند., که می تواند شکل موج گذرا سیگنال اندازه گیری شده را به دقت ثبت کند.

سیستم زمین سیستم آزمایشی مستقل از سیستم زمین آزمایشگاهی است تا از تداخل متقابل جلوگیری شود. مقاومت زمینی سیستم زمین آزمایشی قابل تنظیم است, و چهار مقدار مقاومت 0.25Ω, 0.5اوه, 0.75اوه, و 1Ω با توجه به نسبت شباهت تنظیم می شوند (مطابق با 5Ω, 10اوه, 15اوه, و 20Ω در مدل شبیه سازی). شبکه اتصال زمین سیستم آزمایشی به دستگاه اتصال به زمین مدل مقیاس کاهش یافته متصل است تا اطمینان حاصل شود که جریان صاعقه می تواند به آرامی به زمین تزریق شود..

مراحل آزمایشی مطابق با IEC انجام می شود 60060-1 استاندارد و الزامات مربوطه تست های حفاظت در برابر صاعقه سیستم قدرت, و به مراحل زیر تقسیم می شوند:

(1) آماده سازی قبل از آزمایش: یکپارچگی مدل مقیاس کاهش یافته را بررسی کنید, از اتصالات بین بدنه برج اطمینان حاصل کنید, بازوی ضربدری, رشته عایق, و هادی قابل اعتماد هستند, و تأیید کنید که دستگاه زمین در تماس خوبی با خاک است. سیستم اندازه گیری را کالیبره کنید, از جمله تقسیم کننده ولتاژ بالا, سنسور جریان, و حسگر میدان الکترومغناطیسی, برای اطمینان از صحت داده های اندازه گیری. مولد ضربه رعد و برق را برای تولید یک موج کامل استاندارد 1.2/50μs با حداکثر ولتاژ 71.25 کیلو ولت تنظیم کنید..

(2) بارگذاری تجربی و جمع آوری داده ها: آزمایشات را در سه موقعیت برخورد صاعقه انجام دهید (بالای برج, بازوی ضربدری, رهبر ارکستر) و به ترتیب چهار مقدار مقاومت زمین. برای هر شرایط کاری, مولد ضربه رعد و برق را روشن کنید تا موج کامل ضربه رعد و برق به نقطه ضربه تزریق شود, و از سیستم اکتساب داده برای جمع آوری ولتاژ گذرا استفاده کنید, جریان گذرا, و سیگنال های میدان الکترومغناطیسی گذرا هر قسمت از برج قطب. هر شرایط کاری تکرار می شود 5 بار برای کاهش خطای تصادفی آزمایش, و مقدار متوسط 5 مجموعه ای از داده ها به عنوان نتیجه آزمایشی نهایی در نظر گرفته می شود.

(3) اتمام پس از آزمایش: تجهیزات آزمایشی را به ترتیب خاموش کنید, داده های تجربی جمع آوری شده را مرتب کنید, و داده های نامعتبر را با خطاهای آشکار حذف کنید. محل آزمایش را تمیز کنید و تجهیزات آزمایشی را در شرایط خوبی نگه دارید.

در نظر گرفتن شرایط کاری برخورد صاعقه در بالای برج و مقاومت زمین 0.5Ω (مربوط به 10Ω در شبیه سازی) به عنوان نمونه, نتایج تجربی و نتایج شبیه‌سازی مقایسه و تحلیل می‌شوند. شکل 13 مقایسه شکل موج ولتاژ گذرا در وسط بدنه برج بین آزمایش و شبیه سازی را نشان می دهد.. از شکل می توان دریافت که شکل موج تجربی و شکل موج شبیه سازی دارای روند تغییرات یکسانی هستند.: هر دو به سرعت به مقدار اوج در حدود 1.2μs افزایش می‌یابند, و سپس به تدریج پوسیده می شود. مقدار پیک ولتاژ گذرا به دست آمده توسط آزمایش 39.3 کیلو ولت است, و مقدار پیک بدست آمده توسط شبیه سازی 41.2 کیلوولت است. خطای نسبی است 4.6%, که کمتر از 8%.

شکل 14 مقایسه شکل موج جریان گذرا در شبکه زمین بین آزمایش و شبیه سازی را نشان می دهد. شکل موج تجربی و شکل موج شبیه سازی نیز سازگاری خوبی دارند. زمان اوج جریان تجربی حدود 1.5μs است, و زمان پیک جریان شبیه سازی نیز حدود 1.5μs است. مقدار پیک جریان تجربی 0.57kA است, و مقدار پیک جریان شبیه سازی 0.59kA است. خطای نسبی است 3.4%, که در محدوده قابل قبول است.

شکل 15 مقایسه شدت میدان الکتریکی در 5 متری بدنه برج بین آزمایش و شبیه سازی را نشان می دهد.. پیک شدت میدان الکتریکی تجربی 6.1×10³ V/m است, و پیک شدت میدان الکتریکی شبیه سازی 6.4×10³ V/m است. خطای نسبی است 4.7%, که آن هم کمتر از 8%. شدت میدان مغناطیسی در همان موقعیت نیز سازگاری خوبی دارد, با خطای نسبی از 5.2%.

جدول 3 مقایسه مقادیر پیک ولتاژ گذرا را نشان می دهد, جریان گذرا, و شدت میدان الکتریکی تحت شرایط کاری مختلف. از جدول می توان دریافت که خطاهای نسبی بین نتایج تجربی و نتایج شبیه سازی در تمامی شرایط کاری کمتر از 8%, که نشان می دهد مدل شبیه سازی المان محدود ایجاد شده در این مقاله از دقت و پایایی بالایی برخوردار است, و می تواند به طور دقیق فرآیند گذرا الکترومغناطیسی برج قطب 500 کیلو ولت را تحت امواج تمام موج رعد و برق شبیه سازی کند..

وضعیت کار	نوع پارامتر	ارزش تجربی	ارزش شبیه سازی	خطای نسبی (%)
بالای صاعقه, R=0.5Ω	ولتاژ میانی برج (کیلو ولت)	39.3	41.2	4.6
بالای صاعقه, R=0.5Ω	جریان شبکه زمین (را)	0.57	0.59	3.4
بازوی ضربدری برخورد صاعقه, R=0.5Ω	ولتاژ بازوی متقاطع (کیلو ولت)	71.3	74.5	4.3
هادی برخورد صاعقه, R=0.5Ω	ولتاژ رشته مقره (کیلو ولت)	71.2	76.8	7.7
بالای صاعقه, R=1Ω	5میدان الکتریکی متر (× 10³ V/m)	3.2	3.4	5.9

دلایل اصلی خطای کوچک بین نتایج تجربی و نتایج شبیه سازی عبارتند از: (1) ساده سازی مدل شبیه سازی, مانند نادیده گرفتن اتصالات پیچ و مهره و اجزای کوچک, منجر به تفاوت های جزئی بین مدل شبیه سازی و ساختار واقعی می شود; (2) عوامل محیطی در آزمایش, مانند رطوبت و دما, تأثیر کمی بر توزیع میدان الکترومغناطیسی دارند; (3) خطای اندازه گیری خود تجهیزات آزمایشی. با این حال, این خطاها در محدوده قابل قبول تحقیقات مهندسی و دانشگاهی هستند, که به طور کامل عقلانیت و درستی مدل شبیه سازی را تایید می کند.

در این مقاله, یک مطالعه جامع بر روی ویژگی‌های گذرا الکترومغناطیسی برج‌های قطب خط انتقال 500 کیلوولت تحت موج کامل ضربه رعد و برق با ترکیب تحلیل‌های نظری انجام شده است., شبیه سازی المان محدود, و تایید تجربی. نتایج اصلی تحقیق به شرح زیر است:

(1) سیستم نظری ویژگی های گذرا الکترومغناطیسی برج های قطب 500 کیلوولت تحت ضربه رعد و برق ساخته شده است.. موج کامل ضربه رعد و برق استاندارد (1.2/50μs) از توزیع تابع نمایی دوگانه پیروی می کند, و فرآیند گذرای الکترومغناطیسی برج قطبی توسط معادلات ماکسول اداره می شود. پاسخ گذرا برج قطب نتیجه عمل جامع توزیع ولتاژ و جریان است, جفت میدان الکترومغناطیسی, پاسخ عایق, و مکانیسم های پاسخ به زمین.

(2) یک مدل شبیه‌سازی المان محدود سه بعدی با دقت بالا برج قطب فولادی زاویه ۵۰۰ کیلوولت ایجاد شده است.. این مدل ویژگی های هندسی بدنه برج را در نظر می گیرد, بازوی ضربدری, رشته عایق, و دستگاه اتصال به زمین, و پارامترهای مواد و شرایط مرزی را به طور دقیق تنظیم می کند. نتایج شبیه سازی نشان می دهد که مدل می تواند به طور موثر فرآیند گذرای الکترومغناطیسی قطب-برج تحت ضربه رعد و برق را ضبط کند..

(3) موقعیت برخورد صاعقه و مقاومت به زمین عوامل کلیدی موثر بر پاسخ گذرای الکترومغناطیسی برج قطب است.. وقتی صاعقه به هادی برخورد می کند, رشته مقره بالاترین ولتاژ گذرا را تحمل می کند (1425کیلو ولت), که در حالت فلاش اوور بحرانی است; وقتی صاعقه به بازوی ضربدری برخورد می کند, شدت میدان الکترومغناطیسی نزدیک بازوی متقاطع بالاترین است (6.2× 105 V/m); هنگام برخورد صاعقه به بالای برج, ولتاژ و جریان گذرا در بالای دکل بیشترین مقدار را دارند. با افزایش مقاومت زمین از 5Ω به 20Ω, ولتاژ گذرا در پایین برج افزایش می یابد 277%, و جریان گذرا در شبکه اتصال به زمین کاهش می یابد 38.4%, که به طور قابل توجهی خطر فلاش اوور عایق را افزایش می دهد.

(4) میدان الکترومغناطیسی گذرا در اطراف برج قطب دارای ویژگی های توزیع فضایی آشکار است. با افزایش فاصله از بدنه برج به طور تصاعدی پوسیده می شود, و جهت دهی قابل توجهی دارد. شدت میدان الکترومغناطیسی در جهت برخورد صاعقه در همان فاصله بیشترین مقدار را دارد.

(5) نتایج تایید تجربی نشان می دهد که خطای نسبی بین نتایج تجربی و نتایج شبیه سازی کمتر از 8%, که پایایی و دقت مدل شبیه سازی را تایید می کند. نتایج تحقیق یک مبنای نظری و فنی قابل اعتماد برای طراحی حفاظت در برابر صاعقه دکل های قطب خط انتقال 500 کیلوولت فراهم می کند..

بر اساس نتایج تحقیق, پیشنهادات بهینه سازی زیر برای طراحی حفاظت در برابر صاعقه دکل های قطب خط انتقال 500 کیلوولت ارائه شده است.:

(1) حفاظت از رشته های عایق را در شرایط برخورد صاعقه هادی تقویت کنید. نصب برقگیرهای اکسید فلزی بر روی رشته های عایق دکل های برق 500 کیلوولت خطوط انتقال توصیه می شود., به خصوص در مناطق مستعد رعد و برق. برقگیر می تواند اضافه ولتاژ گذرا روی رشته مقره را محدود کند, اجتناب از فلاش عایق, و از رشته و هادی مقره محافظت کنید.

(2) مقاومت زمینی برج قطب را کاهش دهید. اقداماتی مانند گسترش شبکه اتصال به زمین را اتخاذ کنید, گذاشتن الکترودهای زمین افقی و عمودی, و استفاده از عوامل کاهنده مقاومت زمین برای کاهش مقاومت اتصال به زمین برج قطب به کمتر از 5Ω. این می تواند به طور موثر ولتاژ گذرا در پایین برج را کاهش دهد, جریان گذرا تزریق شده به زمین را افزایش دهید, و عملکرد حفاظت از صاعقه برج قطب را بهبود بخشد.

(3) ساختار برج قطب را بهینه کنید. برای بازوهای متقاطع و قسمت‌های بالای برج که مستعد شدت میدان الکترومغناطیسی بالا هستند, به طور مناسب سطح مقطع فولاد زاویه را افزایش دهید یا از لوله های فولادی با رسانایی بهتر برای کاهش امپدانس موج بدنه برج استفاده کنید., در نتیجه توزیع ولتاژ و جریان گذرا کاهش می یابد. همزمان, فاصله بین بازوی متقاطع و هادی را به طور منطقی طراحی کنید تا فاصله عایق را افزایش دهید.

(4) تقویت نظارت بر حفاظت در برابر صاعقه خطوط انتقال. نصب دستگاه های رعد و برق بر روی دکل های کلیدی خط انتقال 500 کیلوولت برای نظارت بر پارامترهای برخورد صاعقه در زمان واقعی (مانند پیک جریان صاعقه, شکل موج, موقعیت ضربه) و پاسخ گذرا برج قطب. این می تواند پشتیبانی داده را برای بهینه سازی طراحی حفاظت در برابر صاعقه و نگهداری خطوط انتقال فراهم کند.

اگرچه این مقاله تحقیقات عمیقی را بر روی ویژگی‌های گذرا الکترومغناطیسی برج‌های قطب 500 کیلوولت تحت موج کامل ضربه صاعقه انجام داده است., هنوز برخی از جنبه ها وجود دارد که نیاز به مطالعه بیشتر در آینده دارد:

(1) تحقیق در مورد ویژگی‌های گذرا الکترومغناطیسی تحت شکل‌های موج ضربان صاعقه غیر استاندارد. رعد و برق طبیعی شامل جلوی شیب دار است, دم بلند, و تکانه های رعد و برق چند ضربه ای. تحقیقات آینده باید بر پاسخ گذرای الکترومغناطیسی برج های قطبی تحت این شکل موج های غیر استاندارد متمرکز شود., و به طور جامع عملکرد حفاظت در برابر صاعقه برج های قطب را ارزیابی کنید.

(2) تحقیق در مورد تأثیر عوامل پیچیده محیطی. تحقیق حاضر تأثیر عوامل محیطی مانند باران را در نظر نمی گیرد, برف, و باد بر روی خصوصیات گذرای الکترومغناطیسی برج قطب. تحقیقات آینده باید یک مدل شبیه سازی را با در نظر گرفتن عوامل محیطی پیچیده ایجاد کند, و تأثیر این عوامل را بر پاسخ گذرا برج قطبی تحلیل کنید.

(3) تحقیق در مورد جفت گذرای الکترومغناطیسی بین برج های قطب و تجهیزات مجاور. دکل خط انتقال 500 کیلوولت در مجاورت تجهیزاتی مانند دکل های ارتباطی و کابینت های توزیع برق قرار دارد.. میدان گذرای الکترومغناطیسی ایجاد شده توسط صاعقه ممکن است اثرات جفتی روی این تجهیزات مجاور داشته باشد. تحقیقات آینده باید تداخل الکترومغناطیسی بین برج‌های قطب و تجهیزات مجاور را مطالعه کند, و اقدامات ضد مداخله ای مربوطه را ارائه دهد.

(4) توسعه فناوری حفاظت از صاعقه هوشمند برای برج‌های قطب. ترکیب فن‌آوری‌های نوظهور مانند هوش مصنوعی و داده‌های بزرگ برای ایجاد یک سیستم حفاظتی هوشمند در برابر صاعقه برای برج‌های قطب خط انتقال 500 کیلوولت. این سیستم می تواند صاعقه را پیش بینی کند, اقدامات حفاظت از صاعقه را در زمان واقعی تنظیم کنید, و قابلیت حفاظت از صاعقه فعال سیستم قدرت را بهبود بخشد.