Abstrait: En tant que composant central des lignes de transport haute tension 500 kV, les tours de poteaux assument la double fonction de support des conducteurs et de mise à la terre. Les coups de foudre sont l'une des principales menaces pour l'exploitation sûre et stable des lignes de transport., et la réponse transitoire électromagnétique des pylônes sous les ondes complètes d'impulsion de foudre affecte directement la coordination de l'isolation et la conception de la protection contre la foudre de l'ensemble du système électrique.. Dans ce document, une étude complète sur les caractéristiques transitoires électromagnétiques des pylônes de lignes de transmission 500kV sous onde pleine d'impulsion de foudre est réalisée en combinant l'analyse théorique, simulation par éléments finis, et tests expérimentaux. Première, la base théorique des transitoires électromagnétiques sous impulsion de foudre est élaborée, y compris les caractéristiques des ondes complètes d'impulsion de foudre, la loi de distribution du champ électromagnétique, et le mécanisme de réponse transitoire des structures à poteaux. Alors, un modèle éléments finis tridimensionnel d'un angle de 500 kV Mât en acier-la tour est établie à l'aide du logiciel ANSYS Maxwell, et l'onde pleine de l'impulsion de foudre (1.2/50µs) est appliqué pour simuler le processus transitoire électromagnétique de la tour polaire. Les caractéristiques de distribution de la tension transitoire, courant transitoire, et champ électromagnétique transitoire du poteau-tour sous différentes positions de foudre (haut de la tour, bras croisé, et chef d'orchestre) et différentes valeurs de résistance de mise à la terre sont analysées. entre-temps, un modèle expérimental à échelle réduite de la tour polaire est construit sur la base du principe de similarité, et des tests pleine onde d'impulsion de foudre sont effectués pour vérifier l'exactitude des résultats de simulation. Les résultats montrent que: (1) La position de l'impact de la foudre a un impact significatif sur la réponse électromagnétique transitoire du poteau-tour.. La tension et le courant transitoires au sommet de la tour sont les plus importants lorsque la foudre frappe le sommet de la tour., et l'intensité du champ électromagnétique près de la traverse est la plus élevée lorsque la foudre frappe la traverse. (2) Avec l'augmentation de la résistance à la terre, la tension transitoire à chaque partie de la tour polaire augmente considérablement, et le taux d'atténuation du courant transitoire diminue, ce qui augmente le risque de contournement de l'isolation. (3) Le champ électromagnétique transitoire autour de la tour polaire décroît de façon exponentielle avec l'augmentation de la distance., et l'intensité du champ électromagnétique à la même distance est la plus grande dans la direction de la foudre. (4) Les résultats de simulation sont en bon accord avec les résultats expérimentaux, avec une erreur inférieure à 8%, qui vérifie la fiabilité du modèle d'éléments finis établi. Cette étude fournit une base théorique et un support technique pour l'optimisation de la conception de la protection contre la foudre., coordination de l'isolation, et un fonctionnement sûr des pylônes de lignes de transport de 500 kV.

Mots clés: 500ligne de transmission kV; tour à poteaux; onde pleine d'impulsion de foudre; transitoire électromagnétique; simulation par éléments finis; vérification expérimentale

Avec le développement rapide de l’industrie électrique, 500Les lignes de transport à haute tension kV sont devenues une partie importante du réseau électrique national, entreprendre la tâche importante de transmission d’énergie longue distance et de grande capacité. Le fonctionnement sûr et stable des lignes de transport de 500 kV est directement lié à la fiabilité de l'ensemble du système électrique et au fonctionnement normal de la production et de la vie sociale.. toutefois, la foudre est l'une des catastrophes naturelles les plus importantes qui menacent la sécurité de l'exploitation des lignes de transport d'électricité. Selon les statistiques, les défauts provoqués par la foudre représentent plus de 40% du total des défauts des lignes de transport à haute tension, et dans certaines zones sujettes à la foudre, cette proportion peut même atteindre plus de 60% [1]. Lorsqu'un coup de foudre se produit sur une ligne de transmission ou un pylône, une forte onde complète d'impulsion de foudre sera générée, qui induira des phénomènes transitoires électromagnétiques complexes dans la structure pôle-tour. Ces phénomènes transitoires provoqueront des surtensions et des surintensités dans la tour de poteaux et ses équipements associés., ce qui peut entraîner un contournement de l'isolation, dommages à l'équipement, et même des pannes de courant, entraînant d’énormes pertes économiques et des impacts sociaux [2-3].

En tant que composant clé de support et de mise à la terre de la ligne de transmission, la réponse transitoire électromagnétique de la tour à poteaux sous l'onde pleine d'impulsion de foudre est la question centrale de la conception de la protection contre la foudre de la ligne de transmission. La tour à poteaux est généralement en cornière d'acier, tuyau en acier, ou du béton, et sa structure est complexe, impliquant plusieurs composants tels que le corps de la tour, bras croisé, chaîne isolante, et dispositif de mise à la terre. Quand la foudre frappe, le processus transitoire électromagnétique de la tour polaire est affecté par de nombreux facteurs, comme la position du coup de foudre, paramètres du courant de foudre, résistance à la terre, et structure poteau-tour [4]. Donc, étude approfondie des caractéristiques transitoires électromagnétiques de pylônes de 500 kV sous onde pleine d'impulsion de foudre, maîtriser la loi de distribution des tensions transitoires, actuel, et champ électromagnétique, et la clarification de l'influence de divers facteurs sur la réponse transitoire sont d'une grande importance pour optimiser la conception de la protection contre la foudre des pylônes., améliorer le niveau de coordination de l'isolation du système électrique, et assurer le fonctionnement sûr et stable des lignes de transport de 500 kV.

Dans les années récentes, avec l'amélioration continue de la technologie de simulation informatique et de la technologie de tests expérimentaux, la recherche sur les caractéristiques transitoires électromagnétiques des équipements de puissance soumis à des impulsions de foudre a fait de grands progrès. toutefois, en raison de la structure complexe des pylônes de 500 kV et du fort caractère aléatoire des impacts de foudre, il reste encore de nombreux problèmes à résoudre dans la recherche sur les caractéristiques électromagnétiques transitoires des pylônes: (1) Les recherches existantes se concentrent principalement sur les performances de protection contre la foudre de l'ensemble de la ligne de transport., et la recherche sur la réponse électromagnétique transitoire de la tour polaire elle-même n'est pas assez approfondie; (2) L'influence des différentes positions d'impact de la foudre et des valeurs de résistance de terre sur les caractéristiques électromagnétiques transitoires de la tour polaire n'a pas été systématiquement étudiée.; (3) La précision du modèle de simulation doit être vérifiée par des données expérimentales plus fiables. Donc, il est nécessaire de réaliser une étude complète et approfondie sur les caractéristiques transitoires électromagnétiques des pylônes de lignes de transmission 500kV sous onde pleine d'impulsion de foudre.

Des chercheurs étrangers ont déjà mené de nombreuses recherches sur la protection contre la foudre des lignes de transmission et les caractéristiques électromagnétiques transitoires des pylônes.. Dans les années 1970, des chercheurs tels que Wagner ont été les premiers à proposer la théorie des ondes progressives sur la surtension de foudre., qui a jeté les bases théoriques de l'étude des transitoires électromagnétiques des pylônes [5]. Avec le développement de la technologie informatique, les méthodes de simulation par éléments finis ont été largement utilisées dans l'étude des transitoires électromagnétiques des pylônes. Par exemple, D’Alessandro et al. établi un modèle d'éléments finis bidimensionnel d'un poteau-tour de ligne de transmission à l'aide du logiciel COMSOL Multiphysics, simulé le processus transitoire électromagnétique sous impulsion de foudre, et analysé la loi de distribution de la tension et du courant transitoires [6]. Pétrache et coll.. étudié l'influence des paramètres de courant de foudre sur la réponse électromagnétique transitoire des pylônes par simulation et expérimentation, et proposé un schéma d'optimisation pour la conception de la protection contre la foudre des pylônes [7]. en outre, des chercheurs étrangers ont également mené de nombreuses recherches sur les performances de mise à la terre des pylônes sous l'effet de la foudre., et étudié l'influence de la résistance de mise à la terre et de la structure du réseau de mise à la terre sur la réponse transitoire [8-9].

La recherche nationale sur les caractéristiques électromagnétiques transitoires des pylônes de lignes de transmission de 500 kV sous l'effet de la foudre s'est développée rapidement ces dernières années.. De nombreuses universités et instituts de recherche ont mené des recherches approfondies dans ce domaine. Par exemple, Wang et coll.. établi un modèle d'éléments finis tridimensionnel d'une tour à poteaux en acier d'angle de 500 kV à l'aide du logiciel ANSYS, simulation du processus transitoire d'impulsion de foudre, et analysé la répartition du champ électromagnétique transitoire autour de la tour polaire [10]. Li et al. construit un modèle expérimental à échelle réduite d'une tour à poteaux, réalisé des tests pleine onde d'impulsion de foudre, et étudié les caractéristiques de réponse en tension transitoire du poteau-tour sous différentes positions de foudre [11]. Zhang et al. étudié l'influence de la résistance de mise à la terre sur la réponse électromagnétique transitoire des pylônes de 500 kV par simulation et expérimentation, et proposé une méthode pour réduire la résistance de mise à la terre afin d'améliorer les performances de protection contre la foudre [12]. toutefois, il existe encore certaines lacunes dans la recherche nationale existante: (1) Le modèle de simulation n'est pas assez détaillé, et l'influence de quelques fines structures de la tour-pôle (comme la connexion entre les cornières et la chaîne isolante) sur la réponse transitoire n'est pas pris en compte; (2) La systématique de la recherche expérimentale n'est pas forte, et la vérification du modèle de simulation n'est pas exhaustive; (3) Les recherches sur le mécanisme de couplage électromagnétique transitoire entre la tour polaire et le conducteur ne sont pas suffisamment approfondies..

Les principaux objectifs de cet article sont: (1) Élaborer la base théorique des caractéristiques transitoires électromagnétiques des pylônes de lignes de transmission 500kV sous onde pleine d'impulsion de foudre., y compris les caractéristiques des ondes complètes d'impulsion de foudre, la loi de distribution du champ électromagnétique, et le mécanisme de réponse transitoire; (2) Établir un modèle d'éléments finis tridimensionnels de haute précision d'une tour à poteaux en acier d'angle de 500 kV, et simuler le processus transitoire électromagnétique sous une onde complète d'impulsion de foudre; (3) Analyser les caractéristiques de distribution de la tension transitoire, courant transitoire, et champ électromagnétique transitoire de la tour polaire sous différents facteurs d'influence (position du coup de foudre, résistance à la terre); (4) Construire un modèle expérimental à échelle réduite de la tour à poteaux, réaliser des essais pleine onde de choc de foudre, et vérifier l'exactitude du modèle de simulation; (5) Proposer des suggestions d'optimisation pour la conception de la protection contre la foudre des pylônes de lignes de transport de 500 kV sur la base des résultats de la recherche..

La portée de la recherche de cet article comprend: (1) La tour à poteaux en acier d'angle de 500 kV couramment utilisée en ingénierie; (2) L'onde complète d'impulsion de foudre avec des paramètres de 1,2/50 μs (heure de pointe/heure de demi-pointe) qui est conforme à la norme CEI; (3) Trois positions typiques d'un coup de foudre: haut de la tour, bras croisé, et chef d'orchestre; (4) Quatre valeurs typiques de résistance de mise à la terre: 5Oh, 10Oh, 15Oh, et 20Ω; (5) Les caractéristiques transitoires électromagnétiques de la tour polaire, y compris la tension transitoire, courant transitoire, et distribution du champ électromagnétique transitoire.

Cet article est divisé en six chapitres. Chapitre 1 est l'introduction, qui développe le contexte et la signification de la recherche, résume l'état de la recherche au pays et à l'étranger, clarifie les objectifs et la portée de la recherche, et présente la structure de la thèse. Chapitre 2 présente les bases théoriques des transitoires électromagnétiques sous impulsion de foudre, y compris les caractéristiques des ondes complètes d'impulsion de foudre, la théorie de base des transitoires électromagnétiques, et le mécanisme de réponse transitoire des structures à poteaux. Chapitre 3 décrit l'établissement du modèle de simulation par éléments finis de la tour-pôle 500kV, y compris la simplification du modèle, paramètres matériels, conditions aux limites, et chargement d'ondes complètes d'impulsion de foudre. Chapitre 4 analyse les résultats de simulation des caractéristiques transitoires électromagnétiques de la tour polaire sous différents facteurs d'influence. Chapitre 5 présente la conception et la mise en œuvre du modèle expérimental à échelle réduite, et vérifie les résultats de la simulation par des tests expérimentaux. Chapitre 6 est la conclusion et la perspective, qui résume les principaux résultats de la recherche, propose des suggestions d'optimisation pour la conception de la protection contre la foudre des pylônes de 500 kV, et attend avec impatience l'orientation future de la recherche.

L'impulsion de foudre est une sorte de surtension transitoire de courte durée et de grande amplitude.. L'onde complète de l'impulsion de foudre est généralement définie par deux paramètres: temps avant (T1) et demi-heure de pointe (T2). Selon la CEI 60060-1 la norme, l'onde complète d'impulsion de foudre standard a un temps de front de 1,2 μs (tolérance ±30%) et un temps de demi-crête de 50μs (tolérance ±20%), qui est enregistré comme 1,2/50μs [13]. La forme d'onde de l'onde complète standard d'impulsion de foudre est illustrée à la figure 1.

L'expression mathématique de l'onde complète standard d'impulsion de foudre peut être décrite par la fonction double exponentielle [14]:

Où: \( U_m \) est la valeur maximale de la tension de choc de foudre; \( \tau_1 \) est la constante de temps du front, qui détermine la raideur du front d'onde; \( \tau_2 \) est la constante de temps de queue, qui détermine la durée de la queue d'onde; \( t \) est le moment.

La valeur maximale de la tension de choc de foudre générée par la foudre naturelle peut atteindre des centaines de kilovolts à des millions de kilovolts., et la valeur maximale du courant de foudre peut atteindre des dizaines de kiloampères à des centaines de kiloampères. Pour lignes de transmission 500kV, le niveau de tension de choc de foudre est généralement de 1425 kV, qui est déterminé en fonction des exigences de coordination de l'isolation du système électrique [15]. Quand un coup de foudre se produit, l'onde complète de l'impulsion de foudre sera injectée dans le poteau-tour à travers le point de frappe, puis étalé le long du corps de la tour jusqu'au sol, induire des phénomènes transitoires électromagnétiques complexes.

En plus de la pleine onde standard de 1,2/50 μs, il existe également des impulsions de foudre à front raide et des impulsions de foudre à longue queue dans la nature. L'impulsion de foudre à front raide a un temps de front plus court (moins de 1μs) et une inclinaison du front de vague plus élevée, ce qui a un plus grand impact sur l'isolation du poteau-tour. L'impulsion de foudre à longue traîne a une durée de demi-crête plus longue (plus de 50μs), ce qui peut causer des dommages cumulatifs à l'équipement. toutefois, l'onde complète d'impulsion de foudre standard de 1,2/50 μs est la plus représentative, donc cet article se concentre sur les caractéristiques électromagnétiques transitoires de la tour polaire sous cette forme d'onde.

Le processus transitoire électromagnétique de la tour-pôle sous l'impulsion de foudre est un problème complexe de couplage de champ électromagnétique., qui suit les équations de Maxwell [16]. Les équations de Maxwell sont les équations fondamentales décrivant le champ électromagnétique, y compris la loi de Gauss pour l’électricité, Loi de Gauss pour le magnétisme, Loi de Faraday sur l'induction électromagnétique, et loi d'Ampère-Maxwell. La forme différentielle des équations de Maxwell est la suivante:

Où: \( \vec{ré} \) est le vecteur de déplacement électrique; \( \rho_v \) est la densité de charge volumique; \( \vec{B} \) est l'intensité de l'induction magnétique; \( \vec{E} \) est l'intensité du champ électrique; \( \vec{H} \) est l'intensité du champ magnétique; \( \vec{J} \) est la densité de courant; \( t \) est le moment.

Dans l'analyse électromagnétique des transitoires de la tour polaire, la structure poteau-tour est généralement considérée comme un conducteur, et le milieu environnant est l'air. Les relations constitutives du conducteur et de l'air sont les suivantes:

Où: \( \varepsilon \) est la permittivité; \( \dans \) est la perméabilité; \( \sigma \) est la conductivité.

Lorsque l'onde complète de l'impulsion de foudre est injectée dans le poteau-tour, un courant variable dans le temps sera généré dans le corps de la tour, qui excitera un champ électromagnétique variable dans le temps autour de la tour polaire. Le champ électromagnétique variable dans le temps induira des courants de Foucault dans le conducteur de la tour polaire., et il y aura un couplage électromagnétique entre le corps de la tour, bras croisé, chaîne isolante, et chef d'orchestre. La réponse électromagnétique transitoire de la tour-pôle est le résultat de l'interaction entre l'impulsion de foudre injectée, le champ électromagnétique, et la structure de la tour à poteaux.

La structure poteau-tour est une structure en treillis spatiale complexe composée de plusieurs cornières d'acier reliées par des boulons.. Quand la foudre frappe la tour-pôle, le mécanisme de réponse transitoire de la tour polaire comprend principalement les aspects suivants:

(1) Mécanisme de distribution de tension et de courant: La tension de choc de foudre injectée depuis le point d'impact sera distribuée le long du corps de la tour.. En raison de la capacité et de l'inductance distribuées du corps de la tour, la tension et le courant auront un effet d'onde progressive pendant le processus de propagation. L'impédance des ondes du corps de la tour est un paramètre important affectant la distribution de tension et de courant.. L'impédance d'onde de la tour à poteaux en acier est généralement comprise entre 100 Ω et 300 Ω., qui est liée à la section transversale du corps de la tour, l'espacement entre les cornières, et la hauteur de la tour [17].

(2) Mécanisme de couplage de champ électromagnétique: Le courant variable dans le temps dans le corps de la tour générera un champ électromagnétique variable dans le temps autour de la tour polaire.. Le champ électromagnétique induira une tension et un courant dans les conducteurs et composants métalliques adjacents., qui est l'effet d'induction électromagnétique. En même temps, le champ électromagnétique interagira également avec le dispositif de mise à la terre de la tour polaire, affectant le courant de mise à la terre et la tension de mise à la terre [18].

(3) Mécanisme de réponse d'isolation: La chaîne d'isolant entre la tour de poteau et le conducteur est un composant d'isolation important.. Sous l'action d'une surtension d'impulsion de foudre, la chaîne d'isolateurs supportera une tension transitoire élevée. Si la tension transitoire dépasse la force d'isolation de la chaîne d'isolateurs, un contournement de l'isolation se produira, conduisant à un court-circuit entre le conducteur et le poteau-pylône [19].

(4) Mécanisme de réponse à la terre: Le dispositif de mise à la terre de la tour à poteaux est utilisé pour guider le courant de foudre dans le sol et réduire la tension de mise à la terre.. Sous l'action d'un coup de foudre, la résistance de mise à la terre du dispositif de mise à la terre présentera des caractéristiques transitoires. En raison de l'effet cutané et de l'ionisation du sol, la résistance de mise à la terre transitoire est généralement inférieure à la résistance de mise à la terre en régime permanent, mais la loi du changement est complexe [20]. La réponse de la mise à la terre affecte directement le taux d'atténuation du courant de foudre et la répartition de la tension transitoire sur le poteau-pylône..

En résumé, la réponse électromagnétique transitoire du poteau-tour sous l'impulsion de foudre est le résultat complet de plusieurs mécanismes tels que la distribution de tension et de courant, couplage de champ électromagnétique, réponse d'isolation, et réponse à la terre. Analyser avec précision les caractéristiques transitoires électromagnétiques de la tour polaire, il est nécessaire de considérer ces mécanismes de manière globale et d'établir un modèle mathématique et un modèle de simulation raisonnables.

La tour à poteaux en acier d'angle de 500 kV étudiée dans cet article est une tour typique de type "猫头"., d'une hauteur totale de 45m, une largeur de base de 8m, et une longueur de traverse de 12 m. Le corps de la tour est composé d'aciers d'angle Q355, avec différentes tailles de section transversale à différentes hauteurs. La traverse est également composée d'aciers d'angle Q355, et la chaîne isolante est en plastique renforcé de fibres de verre. En raison de la structure complexe de la tour polaire, il est nécessaire de simplifier le modèle pendant le processus de modélisation par éléments finis pour améliorer l'efficacité du calcul dans le but d'assurer la précision du calcul.

Les principales mesures de simplification sont les suivantes: (1) Ignorer les connexions par boulons entre les cornières, et supposons que les connexions sont rigides; (2) Simplifiez la chaîne d'isolateurs en tant qu'isolateur cylindrique avec le même diamètre et la même longueur équivalents; (3) Ignorez les petits composants tels que la plaque de pied de la tour et le serre-câble, qui ont peu d'impact sur la réponse électromagnétique transitoire; (4) Le dispositif de mise à la terre est simplifié sous la forme d'une grille de mise à la terre horizontale d'une longueur de 20 m, une largeur de 20m, et une profondeur d'enfouissement de 0,8 m, et le conducteur de terre est un acier rond d'un diamètre de 12 mm.

Sur la base des mesures de simplification ci-dessus, le modèle géométrique tridimensionnel de la tour-pôle 500kV est établi à l'aide du logiciel ANSYS DesignModeler. Le modèle géométrique inclut le corps de la tour, bras croisé, chaîne isolante, conducteur, et dispositif de mise à la terre. Le conducteur est un conducteur de transmission 500 kV AC d'un diamètre de 25 mm. Le modèle est présenté dans la figure 2.

Les principaux matériaux impliqués dans le modèle de tour à poteaux comprennent l'acier Q355 (corps de la tour, bras croisé, conducteur de terre), plastique renforcé de fibres de verre (chaîne isolante), air (milieu environnant), et le sol (milieu de mise à la terre). Les paramètres du matériau sont indiqués dans le tableau 1.

Matériel	Conductivité σ (S/m)	Permittivité ε (F/h)	Perméabilité µ (H/M)	Densité ρ (kg/m³)
Q355 Steel	5.8×10⁶	8.85×10⁻¹²	4π×10⁻⁷	7850
Plastique renforcé de fibres de verre	1×10⁻¹²	3.54×10⁻¹¹	4π×10⁻⁷	1800
Air	1×10⁻¹⁵	8.85×10⁻¹²	4π×10⁻⁷	1.29
Sol	0.01	1.77×10⁻¹⁰	4π×10⁻⁷	1800

Il convient de noter que la conductivité du sol est affectée par des facteurs tels que le type de sol., teneur en humidité, et la température. Dans ce document, la conductivité du sol est considérée comme 0.01 S/m, qui est la valeur moyenne du sol limoneux couramment utilisé en ingénierie [21]. La permittivité du plastique renforcé de fibres de verre est 4 fois celui de l'air, qui est déterminé en fonction des paramètres matériels fournis par le fabricant.

La génération de maillage est une étape clé de la simulation par éléments finis, ce qui affecte directement la précision et l'efficacité du calcul. La génération du maillage du modèle poteau-tour est réalisée à l'aide du logiciel ANSYS Meshing. Compte tenu de la structure complexe de la tour à poteaux et de l'exigence élevée de précision de calcul du champ électromagnétique à proximité du corps de la tour, les stratégies de génération de maillage suivantes sont adoptées:

(1) Utilisez un maillage tétraédrique pour le corps de la tour, bras croisé, chaîne isolante, conducteur, et dispositif de mise à la terre, qui peut s'adapter à la forme géométrique complexe; (2) Utiliser un maillage hexaédrique pour les régions de l'air et du sol, qui a une précision et une efficacité de calcul plus élevées; (3) Effectuer un raffinement du maillage pour les régions à grand gradient de champ électromagnétique, comme le point d'impact de la foudre, la connexion entre le corps de la tour et la traverse, et la grille de mise à la terre; (4) Contrôler la taille maximale du maillage: le maillage maximum du corps de la tour et du bras transversal est de 0,5 m, le maillage maximum de la chaîne isolante et du conducteur est de 0,2 m, le maillage maximum de la grille de mise à la terre est de 0,3 m, et le maillage maximum des régions de l'air et du sol est de 2 m..

Après génération du maillage, le nombre total d'éléments de maillage du modèle est 1,256,800, et le nombre total de nœuds est 2,345,600. La qualité du maillage est vérifiée, et le rapport hauteur/largeur moyen est 1.8, qui répond aux exigences du calcul par éléments finis.

3.4.1 Conditions aux limites

Les conditions aux limites du modèle de simulation sont définies comme suit: (1) La limite du champ lointain est définie pour la région aérienne. La limite du champ lointain est une limite non réfléchissante, qui peut simuler l'extension infinie de l'air et éviter la réflexion des ondes électromagnétiques à la frontière, affectant les résultats de la simulation; (2) La limite du sol est définie pour la région du sol. La limite de terre est définie comme une limite de conducteur parfaite, en supposant que le sol est infiniment profond, et les ondes électromagnétiques sont complètement absorbées par le sol; (3) La limite de symétrie n'est pas définie, parce que le coup de foudre est une charge asymétrique, et la réponse transitoire électromagnétique de la tour polaire est également asymétrique.

3.4.2 Chargement des paramètres

L'onde complète de l'impulsion de foudre est chargée comme source de tension au point d'impact. Selon la portée de la recherche de cet article, trois positions typiques de coup de foudre sont sélectionnées: (1) Haut de la tour: la source de tension est chargée au nœud supérieur du corps de la tour; (2) Bras croisé: la source de tension est chargée au nœud d'extrémité de la traverse; (3) Conducteur: la source de tension est chargée au nœud central du conducteur.

Les paramètres de l'onde complète d'impulsion de foudre sont définis conformément à la norme CEI 60060-1 la norme: temps avant 1,2 μs, temps de demi-crête 50μs, et tension de crête 1425kV (le niveau de tension de choc de foudre des lignes de transmission de 500 kV). La forme d'onde de tension est générée à l'aide de la fonction double exponentielle du logiciel ANSYS Maxwell, et le pas de temps est réglé sur 0,01 μs pour garantir que le processus transitoire est capturé avec précision. Le temps de simulation est fixé à 200μs, qui couvre l'ensemble du processus de l'onde complète de l'impulsion de foudre, de la montée à la décroissance.

en outre, la résistance de mise à la terre est simulée en ajoutant une limite de résistance au niveau de la grille de mise à la terre. Quatre valeurs de résistance de mise à la terre différentes (5Oh, 10Oh, 15Oh, et 20Ω) sont destinés à étudier l'influence de la résistance de terre sur la réponse électromagnétique transitoire de la tour polaire.

Le calcul de simulation est réalisé à l'aide du module de champ électromagnétique transitoire du logiciel ANSYS Maxwell. Le solveur est défini sur le solveur du domaine temporel, qui convient à la simulation du champ électromagnétique transitoire avec des caractéristiques variables dans le temps. La méthode de calcul est la méthode des éléments finis, qui discrétise le domaine de solution en un grand nombre d'éléments finis, et résout les équations de Maxwell dans chaque élément pour obtenir la distribution du champ électromagnétique.

Pendant le processus de calcul, les paramètres suivants sont définis: (1) La condition initiale est nulle, C'est, l'intensité initiale du champ électrique et l'intensité du champ magnétique dans le domaine de solution sont nulles; (2) Le critère de convergence est fixé à 1×10⁻⁶, ce qui garantit la précision du calcul; (3) L'accélération matérielle est activée, utiliser le GPU pour accélérer le calcul, ce qui améliore l'efficacité du calcul.

Après le calcul de simulation, la tension transitoire, courant transitoire, et la distribution du champ électromagnétique transitoire de chaque partie de la tour polaire à différents moments peut être obtenue grâce au module de post-traitement du logiciel ANSYS Maxwell.

Chiffre 3 montre la forme d'onde de tension transitoire de différentes parties de la tour à poteaux lorsque la foudre frappe le sommet de la tour (la résistance de mise à la terre est de 10 Ω). On peut le voir sur la figure 3 que la tension transitoire de chaque partie du poteau-tour augmente rapidement avec la montée de l'onde complète de l'impulsion de foudre, atteint la valeur maximale à environ 1,2 μs, puis décroît progressivement avec la désintégration de la queue d'onde.

Les valeurs maximales de la tension transitoire à différentes parties sont les suivantes: le sommet de la tour est de 1425kV (égale à la valeur crête de la tension de choc de foudre chargée), au milieu du corps de la tour (22.5M hauteur) est 785kV, le bas du corps de la tour (0M hauteur) est de 125 kV, l'extrémité de la traverse est de 650kV, et la chaîne d'isolateur est de 580 kV. La tension transitoire diminue progressivement du haut de la tour vers le bas de la tour, c'est parce que le corps de la tour a une certaine impédance d'onde, et la tension de choc de foudre est atténuée pendant le processus de propagation le long du corps de la tour.

La tension transitoire sur la chaîne d'isolateurs est la tension entre la traverse et le conducteur.. Quand la foudre frappe le sommet de la tour, la traverse est à une tension transitoire élevée, alors que le conducteur n'est pas directement frappé par la foudre, donc la tension transitoire sur la chaîne d'isolateurs est la différence entre la tension transitoire du bras transversal et du conducteur. La valeur maximale de la tension transitoire sur la chaîne d'isolateurs est de 580 kV, ce qui est inférieur à la résistance d'isolation de la chaîne d'isolateurs de 500 kV (1425kV), donc aucun contournement d'isolation ne se produit.

Chiffre 4 montre la forme d'onde du courant transitoire de différentes parties de la tour à poteaux lorsque la foudre frappe le sommet de la tour (la résistance de mise à la terre est de 10 Ω). Le courant transitoire de chaque partie de la tour-pôle augmente également rapidement avec la montée de l'onde complète de l'impulsion de foudre., atteint la valeur maximale à environ 1,5 μs, puis se dégrade progressivement.

Les valeurs maximales du courant transitoire à différentes parties sont les suivantes: le sommet de la tour fait 14,25kA, le milieu du corps de la tour est de 12,8 kA, le bas du corps de la tour est de 11,5 kA, et la grille de mise à la terre est de 11,5 kA. Le courant transitoire diminue légèrement du haut de la tour vers le bas de la tour, en effet, une petite partie du courant s'échappe vers le sol à travers la capacité distribuée du corps de la tour.. Le courant transitoire de la grille de mise à la terre est égal au courant transitoire au bas du corps de la tour, ce qui indique que tout le courant au bas du corps de la tour est injecté dans le sol à travers la grille de mise à la terre.

La forme d'onde du courant transitoire est légèrement différente de celle de la tension transitoire. Le temps de pointe du courant transitoire est postérieur à celui de la tension transitoire, en effet, l'inductance du corps de la tour et la grille de mise à la terre font que le courant est en retard par rapport à la tension..

Chiffre 5 montre la distribution du champ électromagnétique transitoire autour de la tour polaire à t=1,2μs (heure de pointe de la tension transitoire) quand la foudre frappe le sommet de la tour (la résistance de mise à la terre est de 10 Ω). L'intensité du champ électromagnétique est la plus élevée près du sommet de la tour, avec une valeur maximale de 5,8×10⁵ V/m (intensité du champ électrique) et 1,5×10³ A/m (intensité du champ magnétique).

Le champ électromagnétique transitoire autour de la tour polaire décroît de façon exponentielle avec l'augmentation de la distance.. Lorsque la distance du corps de la tour est de 5 m, l'intensité du champ électrique est de 1,2×10⁵ V/m, et l'intensité du champ magnétique est de 3,2 × 10² A/m; quand la distance est de 10 m, l'intensité du champ électrique est de 2,8×10⁴ V/m, et l'intensité du champ magnétique est de 7,5 × 10¹ A/m; quand la distance est de 20 m, l'intensité du champ électrique est de 6,8×10³ V/m, et l'intensité du champ magnétique est de 1,8 × 10¹ A/m. Cette loi de distribution est cohérente avec les caractéristiques de l'onde électromagnétique en champ proche générée par le courant transitoire.

en outre, l'intensité du champ électromagnétique a une directivité évidente. L'intensité du champ électromagnétique dans la direction de la foudre (direction verticale) est plus élevé que celui dans la direction horizontale, en effet, le courant transitoire dans le corps de la tour est principalement vertical, et le champ électromagnétique généré par le courant vertical est plus fort dans la direction verticale.

Chiffre 6 montre la forme d'onde de tension transitoire de différentes parties de la tour de poteaux lorsque la foudre frappe le bras transversal (la résistance de mise à la terre est de 10 Ω). Comparé à la foudre au sommet de la tour, la tension transitoire de la traverse est la plus élevée, avec une valeur crête de 1425kV. La tension transitoire au sommet de la tour est de 980kV, le milieu du corps de la tour est de 560 kV, le bas du corps de la tour est de 105 kV, et la chaîne d'isolateur est de 850 kV.

La tension transitoire sur la chaîne d'isolateurs est nettement supérieure à celle lorsque la foudre frappe le sommet de la tour.. En effet, lorsque la foudre frappe la traverse, la traverse est directement à la tension de crête de l'impulsion de foudre, et le conducteur est proche de la traverse, donc la différence de tension entre la traverse et le conducteur est plus grande. La valeur maximale de la tension transitoire sur la chaîne d'isolateurs est de 850 kV, qui est toujours inférieure à la résistance d'isolation de la chaîne isolante, donc aucun contournement d'isolation ne se produit. toutefois, si la tension de choc de foudre est plus élevée ou si les performances d'isolation de la chaîne d'isolateurs sont réduites, un contournement de l'isolation peut se produire.

Chiffre 7 montre la forme d'onde du courant transitoire de différentes parties de la tour à poteaux lorsque la foudre frappe le bras transversal (la résistance de mise à la terre est de 10 Ω). La valeur maximale du courant transitoire au niveau de la traverse est de 14,25 kA., le sommet de la tour fait 4,8kA, le milieu du corps de la tour est de 9,5 kA, le bas du corps de la tour est de 11,2 kA, et la grille de mise à la terre est de 11,2 kA.

Comparé à la foudre au sommet de la tour, le courant transitoire au sommet de la tour est nettement plus faible, tandis que le courant transitoire au milieu du corps de la tour est légèrement plus petit. En effet, lorsque la foudre frappe la traverse, le courant est divisé en deux parties: une partie coule vers le sommet de la tour, et l'autre partie coule vers le bas de la tour. En raison de l'impédance des vagues plus élevée au sommet de la tour, la majeure partie du courant circule vers le bas de la tour et est injectée dans le sol à travers la grille de mise à la terre.

Chiffre 8 montre la distribution du champ électromagnétique transitoire autour de la tour polaire à t = 1,2 μs lorsque la foudre frappe la traverse (la résistance de mise à la terre est de 10 Ω). L'intensité du champ électromagnétique près de la traverse est la plus élevée, avec une valeur maximale de 6,2×10⁵ V/m (intensité du champ électrique) et 1,6×10³ A/m (intensité du champ magnétique), qui est plus élevé que celui lorsque la foudre frappe le sommet de la tour.

Le champ électromagnétique transitoire autour de la tour polaire décroît également de façon exponentielle avec l'augmentation de la distance.. Lorsque la distance du bras transversal est de 5 m, l'intensité du champ électrique est de 1,3×10⁵ V/m, et l'intensité du champ magnétique est de 3,4 × 10² A/m; quand la distance est de 10 m, l'intensité du champ électrique est de 3,0×10⁴ V/m, et l'intensité du champ magnétique est de 7,8 × 10¹ A/m. La directivité du champ électromagnétique est également évidente, et l'intensité du champ électromagnétique dans la direction perpendiculaire au bras transversal est supérieure à celle dans les autres directions.

Chiffre 9 montre la forme d'onde de tension transitoire de différentes parties de la tour de poteaux lorsque la foudre frappe le conducteur (la résistance de mise à la terre est de 10 Ω). Quand la foudre frappe le conducteur, la tension transitoire du conducteur est de 1425kV, la chaîne d'isolateurs est de 1425 kV (égale à la tension du conducteur), la traverse est de 575kV, le sommet de la tour est à 480kV, le milieu du corps de la tour est de 320 kV, et le bas du corps de la tour est de 85 kV.

La tension transitoire sur la chaîne d'isolateurs est la plus élevée lorsque la foudre frappe le conducteur, qui est égale à la valeur crête de la tension de choc de foudre. En effet, le conducteur est directement frappé par la foudre, et la chaîne isolante supporte la pleine tension de l'impulsion de foudre. La valeur maximale de la tension transitoire sur la chaîne d'isolateurs est de 1 425 kV., qui est égale à la force d'isolation de la chaîne d'isolateurs. A cette époque, la chaîne d'isolateurs est dans un état critique de contournement de l'isolant. Si la tension de choc de foudre est légèrement supérieure, un contournement de l'isolation se produira, conduisant à un court-circuit entre le conducteur et la traverse.

Chiffre 10 montre la forme d'onde du courant transitoire de différentes parties de la tour de poteaux lorsque la foudre frappe le conducteur (la résistance de mise à la terre est de 10 Ω). La valeur maximale du courant transitoire au niveau du conducteur est de 14,25 kA, la chaîne d'isolant est de 14,25 kA, la traverse est de 12,5 kA, le sommet de la tour fait 3,2kA, le milieu du corps de la tour est de 9,8 kA, le bas du corps de la tour est de 11,0 kA, et la grille de mise à la terre est de 11,0 kA.

Quand la foudre frappe le conducteur, le courant est transmis à la traverse à travers la chaîne d'isolateurs, puis divisé en deux parties: une partie coule vers le sommet de la tour, et l'autre partie coule vers le bas de la tour. Le courant circulant vers le bas de la tour est injecté dans le sol à travers la grille de mise à la terre. Le courant transitoire au niveau de la traverse est légèrement inférieur à celui au niveau du conducteur, en effet, une petite partie du courant s'échappe dans l'air à travers la capacité distribuée du bras transversal..

Chiffre 11 montre la distribution du champ électromagnétique transitoire autour du poteau-tour à t=1,2μs lorsque la foudre frappe le conducteur (la résistance de mise à la terre est de 10 Ω). L'intensité du champ électromagnétique à proximité du conducteur et de la chaîne d'isolateurs est la plus élevée, avec une valeur maximale de 6,5×10⁵ V/m (intensité du champ électrique) et 1,7×10³ A/m (intensité du champ magnétique), qui est plus élevé que celui lorsque la foudre frappe le sommet de la tour et la traverse.

Le champ électromagnétique transitoire autour de la tour polaire décroît de façon exponentielle avec l'augmentation de la distance.. Lorsque la distance du conducteur est de 5 m, l'intensité du champ électrique est de 1,4×10⁵ V/m, et l'intensité du champ magnétique est de 3,6 × 10² A/m; quand la distance est de 10 m, l'intensité du champ électrique est de 3,2×10⁴ V/m, et l'intensité du champ magnétique est de 8,2 × 10¹ A/m. Le champ électromagnétique dans la direction parallèle au conducteur est supérieur à celui dans les autres directions.

Etudier l'influence de la résistance de terre sur les caractéristiques transitoires électromagnétiques de la tour-pôle, quatre valeurs de résistance de mise à la terre différentes (5Oh, 10Oh, 15Oh, et 20Ω) sont sélectionnés, et la position du coup de foudre est fixée au sommet de la tour. La variation de la valeur maximale de la tension et du courant transitoires dans différentes parties de la tour polaire avec résistance de mise à la terre est indiquée dans le tableau. 2.

Résistance à la mise à la terre (Oh)	Tension transitoire de pointe au sommet de la tour (kV)	Tension transitoire de pointe au bas de la tour (kV)	Courant transitoire de pointe au sommet de la tour (le)	Courant transitoire de pointe au réseau de mise à la terre (le)
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

On peut le voir sur le tableau 2 que la valeur maximale de la tension transitoire au sommet de la tour n'est pas affectée par la résistance de mise à la terre, qui est toujours égale à la valeur crête de la tension de choc de foudre chargée. toutefois, la valeur maximale de la tension transitoire au bas de la tour augmente considérablement avec l'augmentation de la résistance de mise à la terre. Lorsque la résistance de mise à la terre augmente de 5Ω à 20Ω, la valeur crête de la tension transitoire au bas de la tour passe de 65kV à 245kV, soit une augmentation de 277%.

La valeur maximale du courant transitoire au sommet de la tour n'est pas non plus affectée par la résistance de mise à la terre., tandis que la valeur maximale du courant transitoire au niveau de la grille de mise à la terre diminue avec l'augmentation de la résistance de mise à la terre. Lorsque la résistance de mise à la terre augmente de 5Ω à 20Ω, la valeur maximale du courant transitoire au niveau de la grille de mise à la terre diminue de 13,8 kA à 8,5 kA, une diminution de 38.4%. En effet, l'augmentation de la résistance de mise à la terre augmente l'impédance de la boucle de mise à la terre., réduire le courant injecté dans le sol.

L'augmentation de la tension transitoire au bas de la tour et la diminution du courant transitoire au niveau de la grille de mise à la terre augmenteront le risque de contournement de l'isolation de la tour de poteaux et de l'équipement qui y est attaché.. Donc, la réduction de la résistance de mise à la terre est une mesure efficace pour améliorer les performances de protection contre la foudre de la tour à poteaux.

Basé sur l'analyse de simulation ci-dessus, les principales conclusions sur les caractéristiques transitoires électromagnétiques de la tour à poteaux de 500 kV sous pleine onde d'impulsion de foudre sont les suivantes:

(1) La position de l'impact de la foudre a un impact significatif sur la réponse électromagnétique transitoire du poteau-tour.. Quand la foudre frappe le conducteur, la tension transitoire sur la chaîne d'isolateurs est la plus élevée, qui est dans l'état critique de contournement de l'isolation; quand la foudre frappe la traverse, l'intensité du champ électromagnétique près de la traverse est la plus élevée; quand la foudre frappe le sommet de la tour, la tension et le courant transitoires au sommet de la tour sont les plus élevés.

(2) La tension transitoire de la tour-pôle diminue progressivement du point d'impact jusqu'au bas de la tour, et le courant transitoire diminue également légèrement. Le champ électromagnétique transitoire autour de la tour polaire décroît de façon exponentielle avec l'augmentation de la distance., et a une directivité évidente.

(3) La résistance de mise à la terre a un impact significatif sur la réponse électromagnétique transitoire de la tour polaire.. Avec l'augmentation de la résistance à la terre, la tension transitoire au bas de la tour augmente considérablement, et le courant transitoire au niveau de la grille de mise à la terre diminue, ce qui augmente le risque de contournement de l'isolation.

(4) La chaîne d'isolateurs supporte la tension transitoire la plus élevée lorsque la foudre frappe le conducteur, quelle est la condition de travail la plus dangereuse pour la chaîne d'isolateurs. Donc, dans la conception de la protection contre la foudre de la tour à poteaux, une attention particulière doit être accordée à la protection de la chaîne d'isolateurs lorsque la foudre frappe le conducteur.

Vérifier l'exactitude du modèle de simulation par éléments finis, un modèle expérimental à échelle réduite de la tour polaire de 500 kV est construit sur la base du principe de similarité. Le principe de similarité exige que les paramètres géométriques, paramètres matériels, et les paramètres de charge du modèle réduit sont similaires à ceux du prototype [22]. Le rapport d'échelle du modèle réduit au prototype est fixé à 1:20, qui est déterminé en fonction de la taille du laboratoire et de la capacité du générateur de coups de foudre.

Les paramètres géométriques du modèle réduit sont les suivants: la hauteur totale du corps de la tour est de 2,25 m, la largeur de la base est de 0,4 m, la longueur du bras croisé est de 0,6 m. Le corps de la tour et la traverse sont constitués d'aciers d'angle Q235 avec une section transversale de 5 mm × 5 mm × 0,5 mm.. La chaîne isolante est en verre organique d'un diamètre de 2 mm et d'une longueur de 50 mm. Le conducteur est un fil de cuivre d'un diamètre de 1,25 mm. Le dispositif de mise à la terre est une grille de mise à la terre horizontale d'une longueur de 1 m, une largeur de 1m, et une profondeur d'enfouissement de 0,04 m, et le conducteur de terre est un fil de cuivre d'un diamètre de 0,6 mm.

En termes de correspondance des paramètres matériels, selon le principe de similarité, la permittivité relative, la perméabilité relative et la conductivité du matériau doivent rester cohérentes avec le prototype pour garantir la similitude des caractéristiques électromagnétiques. L'acier Q235 utilisé dans le modèle réduit a une conductivité de 5,0×10⁶ S/m, ce qui est proche du 5,8×10⁶ S/m de l'acier Q355 dans le prototype, et la différence se situe dans la plage acceptable des erreurs expérimentales. La permittivité relative du verre organique est 3.2, qui est proche du 4.0 de plastique renforcé de fibres de verre dans le prototype, et peut répondre aux exigences de simulation des performances d'isolation. Le sol utilisé dans l'expérience est un limon avec une conductivité de 0.01 S/m, qui est la même que celle définie dans le modèle de simulation.

Pour la correspondance des paramètres de charge, l'onde complète d'impulsion de foudre appliquée au modèle à échelle réduite doit satisfaire au rapport de similarité de tension. D'après le rapport d'échelle géométrique de 1:20, le rapport d'échelle de tension est également 1:20. Donc, la valeur maximale de la tension de choc de foudre appliquée au modèle réduit est de 1 425 kV / 20 = 71,25KV, et les paramètres de forme d'onde sont toujours de 1,2/50 μs, ce qui est conforme aux exigences standards.

Le système expérimental est principalement constitué d'un générateur d'impulsions de foudre, un modèle de tour à poteaux à échelle réduite, un système de mesure, et un système de mise à la terre, comme représenté sur la Figure 12. Le générateur d'impulsions de foudre est de type GS-100kV, qui peut générer des ondes complètes d'impulsion de foudre standard de 1,2/50 μs avec une tension de crête réglable de 0 à 100kV, répondant aux exigences de charge expérimentale.

Le système de mesure comprend un diviseur haute tension, un capteur de courant, un capteur de champ électromagnétique, et un système d'acquisition de données. Le diviseur haute tension est un diviseur de tension capacitif avec un rapport de division de tension de 1000:1, qui est utilisé pour mesurer la tension transitoire de chaque partie de la tour de poteaux. Le capteur de courant est une bobine de Rogowski avec une plage de mesure de 0 à 20 kA et une bande passante de 10 Hz à 10 MHz., qui est utilisé pour mesurer le courant transitoire du corps de la tour et de la grille de mise à la terre. Le capteur de champ électromagnétique est une sonde de champ électromagnétique à large bande avec une plage de mesure de 1 V/m-10⁶ V/m (champ électrique) et 0,1A/m-10³ A/m (champ magnétique), qui est utilisé pour mesurer le champ électromagnétique transitoire autour de la tour polaire. Le système d'acquisition de données utilise un oscilloscope numérique avec un taux d'échantillonnage de 1GS/s et une profondeur de stockage de 10M, qui peut capturer avec précision la forme d'onde transitoire du signal mesuré.

Le système de mise à la terre du système expérimental est indépendant du système de mise à la terre du laboratoire pour éviter les interférences mutuelles. La résistance de mise à la terre du système de mise à la terre expérimental est réglable, et quatre valeurs de résistance de 0,25Ω, 0.5Oh, 0.75Oh, et 1Ω sont définis en fonction du rapport de similarité (conforme au 5Ω, 10Oh, 15Oh, et 20Ω dans le modèle de simulation). La grille de mise à la terre du système expérimental est connectée au dispositif de mise à la terre du modèle réduit pour garantir que le courant de foudre puisse être injecté en douceur dans le sol..

Les étapes expérimentales sont réalisées conformément à la norme CEI 60060-1 norme et les exigences pertinentes des tests de protection contre la foudre du système électrique, et sont divisés en les étapes suivantes:

(1) Préparation pré-expérimentation: Vérifier l'intégrité du modèle réduit, assurez-vous que les connexions entre le corps de la tour, bras croisé, chaîne isolante, et le conducteur sont fiables, et confirmer que le dispositif de mise à la terre est en bon contact avec le sol. Calibrer le système de mesure, y compris le diviseur haute tension, capteur de courant, et capteur de champ électromagnétique, pour garantir l'exactitude des données de mesure. Ajustez le générateur d'impulsions de foudre pour générer une onde complète standard de 1,2/50 μs avec une tension de crête de 71,25 kV..

(2) Chargement expérimental et collecte de données: Réaliser des expériences sous trois positions de foudre (haut de la tour, bras croisé, conducteur) et quatre valeurs de résistance de mise à la terre respectivement. Pour chaque condition de travail, allumez le générateur d'impulsions de foudre pour injecter l'onde complète d'impulsion de foudre dans le point d'impact, et utilisez le système d'acquisition de données pour collecter la tension transitoire, courant transitoire, et signaux de champ électromagnétique transitoires de chaque partie de la tour polaire. Chaque condition de travail est répétée 5 fois pour réduire l'erreur aléatoire de l'expérience, et la valeur moyenne du 5 des ensembles de données sont considérés comme le résultat expérimental final.

(3) Finition post-expérience: Éteignez l'équipement expérimental dans l'ordre, trier les données expérimentales collectées, et éliminez les données invalides avec des erreurs évidentes. Nettoyer le site expérimental et maintenir le matériel expérimental en bon état.

Prenant les conditions de fonctionnement d'un coup de foudre au sommet de la tour et d'une résistance de mise à la terre de 0,5 Ω (correspondant à 10Ω dans la simulation) à titre d'exemple, les résultats expérimentaux et les résultats de simulation sont comparés et analysés. Chiffre 13 montre la comparaison de la forme d'onde de tension transitoire au milieu du corps de la tour entre l'expérience et la simulation. On peut voir sur la figure que la forme d'onde expérimentale et la forme d'onde de simulation ont la même tendance de variation.: les deux augmentent rapidement jusqu'à la valeur maximale à environ 1,2 μs, puis se décompose progressivement. La valeur maximale de la tension transitoire obtenue par l'expérience est de 39,3 kV, et la valeur maximale obtenue par la simulation est de 41,2 kV. L'erreur relative est 4.6%, ce qui est inférieur à 8%.

Chiffre 14 montre la comparaison de la forme d'onde du courant transitoire au niveau de la grille de mise à la terre entre l'expérience et la simulation. La forme d'onde expérimentale et la forme d'onde de simulation ont également une bonne cohérence. Le temps de pointe du courant expérimental est d'environ 1,5 μs, et le temps de pointe du courant de simulation est également d'environ 1,5 μs. La valeur maximale du courant expérimental est de 0,57 kA, et la valeur maximale du courant de simulation est de 0,59 kA. L'erreur relative est 3.4%, ce qui se situe dans la plage acceptable.

Chiffre 15 montre la comparaison de l'intensité du champ électrique à 5 m du corps de la tour entre l'expérience et la simulation. Le pic d'intensité du champ électrique expérimental est de 6,1 × 10³ V/m, et le pic d'intensité du champ électrique de simulation est de 6,4 × 10³ V/m. L'erreur relative est 4.7%, ce qui est également inférieur à 8%. L'intensité du champ magnétique à la même position présente également une bonne cohérence, avec une erreur relative de 5.2%.

Table 3 montre la comparaison des valeurs de crête de la tension transitoire, courant transitoire, et intensité du champ électrique dans différentes conditions de travail. Il ressort du tableau que les erreurs relatives entre les résultats expérimentaux et les résultats de simulation dans toutes les conditions de travail sont inférieures à 8%, ce qui indique que le modèle de simulation par éléments finis établi dans cet article présente une précision et une fiabilité élevées., et peut simuler avec précision le processus transitoire électromagnétique de la tour à poteaux de 500 kV sous une onde pleine d'impulsion de foudre.

État de fonctionnement	Type de paramètre	Valeur expérimentale	Valeur de simulation	Erreur relative (%)
Haut de coup de foudre, R=0,5Ω	Tour moyenne tension (kV)	39.3	41.2	4.6
Haut de coup de foudre, R=0,5Ω	Courant du réseau de mise à la terre (le)	0.57	0.59	3.4
Bras croisé pour coup de foudre, R=0,5Ω	Tension du bras croisé (kV)	71.3	74.5	4.3
Conducteur de foudre, R=0,5Ω	Tension de chaîne d'isolateur (kV)	71.2	76.8	7.7
Haut de coup de foudre, R=1Ω	5m champ électrique (×10³ V/m)	3.2	3.4	5.9

Les principales raisons de la petite erreur entre les résultats expérimentaux et les résultats de simulation sont: (1) La simplification du modèle de simulation, comme ignorer les connexions par boulons et les petits composants, conduit à de légères différences entre le modèle de simulation et la structure réelle; (2) Les facteurs environnementaux dans l'expérience, comme l'humidité de l'air et la température, ont un faible impact sur la distribution du champ électromagnétique; (3) L'erreur de mesure de l'équipement expérimental lui-même. toutefois, ces erreurs se situent dans la plage acceptable de l’ingénierie et de la recherche universitaire, qui vérifie pleinement la rationalité et l'exactitude du modèle de simulation.

Dans ce document, une étude complète sur les caractéristiques transitoires électromagnétiques des pylônes de lignes de transmission 500kV sous onde pleine d'impulsion de foudre est réalisée en combinant l'analyse théorique, simulation par éléments finis, et vérification expérimentale. Les principales conclusions de la recherche sont les suivantes:

(1) Le système théorique des caractéristiques transitoires électromagnétiques des pylônes de 500 kV sous impulsion de foudre est construit. L'onde complète standard d'impulsion de foudre (1.2/50µs) suit la distribution de fonctions double exponentielle, et le processus transitoire électromagnétique de la tour polaire est régi par les équations de Maxwell. La réponse transitoire de la tour polaire est le résultat de l'action globale de la distribution de tension et de courant., couplage de champ électromagnétique, réponse d'isolation, et ancrer les mécanismes de réponse.

(2) Un modèle de simulation par éléments finis tridimensionnels de haute précision d'une tour à poteaux en acier d'angle de 500 kV est établi. Le modèle prend en compte les caractéristiques géométriques du corps de la tour, bras croisé, chaîne isolante, et dispositif de mise à la terre, et définit avec précision les paramètres du matériau et les conditions aux limites. Les résultats de la simulation montrent que le modèle peut capturer efficacement le processus transitoire électromagnétique de la tour polaire sous l'impulsion de la foudre..

(3) La position du coup de foudre et la résistance de mise à la terre sont les facteurs clés affectant la réponse transitoire électromagnétique de la tour de poteaux.. Quand la foudre frappe le conducteur, la chaîne d'isolateurs supporte la tension transitoire la plus élevée (1425kV), qui est dans un état critique de contournement éclair; quand la foudre frappe la traverse, l'intensité du champ électromagnétique près de la traverse est la plus élevée (6.2×10⁵ V/m); quand la foudre frappe le sommet de la tour, la tension et le courant transitoires au sommet de la tour sont les plus élevés. Avec l'augmentation de la résistance de mise à la terre de 5Ω à 20Ω, la tension transitoire au bas de la tour augmente de 277%, et le courant transitoire au niveau de la grille de mise à la terre diminue de 38.4%, ce qui augmente considérablement le risque de contournement de l'isolation.

(4) Le champ électromagnétique transitoire autour de la tour polaire présente des caractéristiques de distribution spatiale évidentes.. Il décroît de façon exponentielle avec l'augmentation de la distance par rapport au corps de la tour., et a une directivité significative. L'intensité du champ électromagnétique dans la direction de l'impact de la foudre est la plus élevée à la même distance.

(5) Les résultats de la vérification expérimentale montrent que l'erreur relative entre les résultats expérimentaux et les résultats de simulation est inférieure à 8%, ce qui confirme la fiabilité et la précision du modèle de simulation. Les résultats de la recherche fournissent une base théorique et technique fiable pour la conception de la protection contre la foudre des pylônes de lignes de transmission de 500 kV..

Basé sur les résultats de la recherche, les suggestions d'optimisation suivantes sont avancées pour la conception de la protection contre la foudre des pylônes de lignes de transport de 500 kV:

(1) Renforcer la protection des chaînes d'isolateurs dans des conditions de foudre des conducteurs. Il est recommandé d'installer des parafoudres à oxyde métallique sur les chaînes d'isolateurs des tours de poteaux de ligne de transmission 500 kV., surtout dans les zones sujettes à la foudre. Le parafoudre peut limiter la surtension transitoire sur la chaîne d'isolateurs, éviter le contournement de l'isolation, et protéger la chaîne isolante et le conducteur.

(2) Réduire la résistance de mise à la terre de la tour de poteaux. Adopter des mesures telles que l'extension du réseau de mise à la terre, pose d'électrodes de mise à la terre horizontales et verticales, et utilisation d'agents réducteurs de résistance de mise à la terre pour réduire la résistance de mise à la terre de la tour de poteaux à moins de 5 Ω. Cela peut réduire efficacement la tension transitoire au bas de la tour, augmenter le courant transitoire injecté dans le sol, et améliorer les performances de protection contre la foudre du poteau-tour.

(3) Optimiser la structure du pôle-tour. Pour les parties supérieures des traverses et des tours sujettes à une intensité de champ électromagnétique élevée, augmentez de manière appropriée la section transversale de l'angle en acier ou utilisez des tuyaux en acier avec une meilleure conductivité pour réduire l'impédance des vagues du corps de la tour, réduisant ainsi la tension transitoire et la distribution du courant. En même temps, concevoir raisonnablement l'espacement entre la traverse et le conducteur pour augmenter la distance d'isolation.

(4) Renforcer la surveillance de la protection contre la foudre des lignes de transport. Installez des dispositifs de surveillance de la foudre sur les principales tours de poteaux des lignes de transmission de 500 kV pour surveiller en temps réel les paramètres d'impact de la foudre. (comme le pic de courant de foudre, forme d'onde, position de grève) et la réponse transitoire de la tour polaire. Cela peut fournir un support de données pour l'optimisation de la conception de la protection contre la foudre et la maintenance des lignes de transmission..

Bien que cet article ait mené des recherches approfondies sur les caractéristiques transitoires électromagnétiques des pylônes de 500 kV sous pleine onde d'impulsion de foudre., certains aspects doivent encore être étudiés plus en détail à l'avenir:

(1) Recherche sur les caractéristiques transitoires électromagnétiques sous des formes d'onde d'impulsion de foudre non standard. La foudre naturelle comprend les fronts abrupts, longue queue, et des impulsions de foudre à coups multiples. Les recherches futures devraient se concentrer sur la réponse électromagnétique transitoire des tours de pôles sous ces formes d'onde non standard., et évaluer de manière exhaustive les performances de protection contre la foudre des pylônes.

(2) Recherche sur l'influence de facteurs environnementaux complexes. La recherche actuelle ne prend pas en compte l'influence de facteurs environnementaux tels que la pluie, neige, et du vent sur les caractéristiques transitoires électromagnétiques du pôle-tour. Les recherches futures devraient établir un modèle de simulation prenant en compte des facteurs environnementaux complexes, et analyser l'influence de ces facteurs sur la réponse transitoire du poteau-tour.

(3) Recherche sur le couplage transitoire électromagnétique entre pylônes et équipements adjacents. La tour-poteau de la ligne de transmission 500 kV est adjacente à des équipements tels que des tours de communication et des armoires de distribution d'énergie.. Le champ électromagnétique transitoire généré par les coups de foudre peut avoir des effets de couplage sur ces équipements adjacents.. Les recherches futures devraient étudier les interférences électromagnétiques entre les tours de poteaux et les équipements adjacents, et proposer des mesures anti-ingérence correspondantes.

(4) Développement d’une technologie intelligente de protection contre la foudre pour les pylônes. Combinez les technologies émergentes telles que l'intelligence artificielle et le big data pour établir un système intelligent de protection contre la foudre pour les pylônes de lignes de transmission de 500 kV.. Le système peut prédire les impacts de foudre, ajuster les mesures de protection contre la foudre en temps réel, et améliorer la capacité active de protection contre la foudre du système électrique.