Abstrak: Sebagai komponen inti saluran transmisi tegangan tinggi 500kV, menara tiang mempunyai fungsi ganda sebagai konduktor pendukung dan grounding. Sambaran petir adalah salah satu ancaman utama terhadap keselamatan dan stabilitas pengoperasian saluran transmisi, dan respon transien elektromagnetik dari menara tiang di bawah gelombang penuh impuls petir secara langsung mempengaruhi koordinasi isolasi dan desain proteksi petir dari seluruh sistem tenaga.. dalam makalah ini, sebuah studi komprehensif tentang karakteristik transien elektromagnetik menara tiang saluran transmisi 500kV di bawah gelombang penuh impuls petir dilakukan dengan menggabungkan analisis teoritis, simulasi elemen hingga, dan pengujian eksperimental. Pertama, landasan teori transien elektromagnetik di bawah impuls petir diuraikan, termasuk ciri-ciri impuls petir gelombang penuh, hukum distribusi medan elektromagnetik, dan mekanisme respons sementara struktur menara tiang. Kemudian, model elemen hingga tiga dimensi dengan sudut 500kV tiang baja-menara dibangun menggunakan perangkat lunak ANSYS Maxwell, dan gelombang penuh impuls petir (1.2/50detik) diterapkan untuk mensimulasikan proses transien elektromagnetik dari menara kutub. Karakteristik distribusi tegangan transien, arus sementara, dan medan elektromagnetik transien menara kutub pada posisi sambaran petir yang berbeda (puncak menara, kayu lintang, dan konduktor) dan nilai resistansi pentanahan yang berbeda dianalisis. Sementara itu, model eksperimental menara tiang skala kecil dibangun berdasarkan prinsip kesamaan, dan uji gelombang penuh impuls petir dilakukan untuk memverifikasi kebenaran hasil simulasi. Hasilnya menunjukkan hal itu: (1) Posisi sambaran petir mempunyai pengaruh yang signifikan terhadap respon transien elektromagnetik menara kutub. Tegangan dan arus transien di puncak menara paling besar ketika petir menyambar puncak menara, dan intensitas medan elektromagnetik di dekat lengan melintang adalah yang tertinggi ketika petir menyambar lengan melintang. (2) Dengan meningkatnya resistensi grounding, tegangan transien di setiap bagian menara tiang meningkat secara signifikan, dan tingkat redaman arus transien berkurang, yang meningkatkan risiko terjadinya flashover isolasi. (3) Medan elektromagnetik transien di sekitar menara kutub meluruh secara eksponensial seiring bertambahnya jarak, dan intensitas medan elektromagnetik pada jarak yang sama paling besar searah dengan sambaran petir. (4) Hasil simulasi sesuai dengan hasil eksperimen, dengan kesalahan kurang dari 8%, yang memverifikasi keandalan model elemen hingga yang telah ditetapkan. Penelitian ini memberikan landasan teori dan dukungan teknis untuk optimalisasi desain proteksi petir, koordinasi isolasi, dan pengoperasian menara tiang saluran transmisi 500kV yang aman.

Kata kunci: 500saluran transmisi kV; menara tiang; gelombang penuh impuls petir; transien elektromagnetik; simulasi elemen hingga; verifikasi eksperimental

Dengan pesatnya perkembangan industri tenaga listrik, 500Saluran transmisi tegangan tinggi kV telah menjadi bagian penting dalam jaringan listrik nasional, melaksanakan tugas penting transmisi tenaga listrik jarak jauh dan berkapasitas besar. Pengoperasian saluran transmisi 500kV yang aman dan stabil berhubungan langsung dengan keandalan seluruh sistem tenaga dan pengoperasian normal produksi dan kehidupan sosial.. Namun, sambaran petir adalah salah satu bencana alam terpenting yang mengancam keselamatan pengoperasian saluran transmisi. Menurut statistik, kesalahan yang disebabkan oleh petir menyebabkan lebih dari 40% dari total gangguan saluran transmisi tegangan tinggi, dan di beberapa daerah rawan petir, proporsi ini bahkan bisa mencapai lebih dari 60% [1]. Ketika sambaran petir terjadi pada saluran transmisi atau menara tiang, gelombang penuh impuls petir yang kuat akan dihasilkan, yang akan menyebabkan fenomena transien elektromagnetik yang kompleks pada struktur menara kutub. Fenomena transien ini akan menyebabkan tegangan lebih dan arus lebih pada tiang-menara dan peralatan yang terpasang di dalamnya, yang dapat menyebabkan flashover isolasi, kerusakan peralatan, dan bahkan pemadaman listrik, mengakibatkan kerugian ekonomi dan dampak sosial yang sangat besar [2-3].

Sebagai komponen pendukung dan pentanahan utama saluran transmisi, Respon transien elektromagnetik menara kutub di bawah gelombang penuh impuls petir adalah isu inti dari desain proteksi petir pada saluran transmisi.. Tiang menara biasanya terbuat dari baja siku, pipa baja, atau beton, dan strukturnya rumit, melibatkan beberapa komponen seperti badan menara, kayu lintang, rangkaian isolator, dan perangkat pembumian. Saat petir menyambar, proses transien elektromagnetik menara kutub dipengaruhi oleh banyak faktor, seperti posisi sambaran petir, parameter arus petir, resistensi grounding, dan struktur menara tiang [4]. Karena itu, studi mendalam tentang karakteristik transien elektromagnetik menara tiang 500kV di bawah gelombang penuh impuls petir, menguasai hukum distribusi tegangan transien, arus, dan medan elektromagnetik, dan memperjelas pengaruh berbagai faktor terhadap respons transien sangat penting untuk mengoptimalkan desain proteksi petir pada menara tiang., meningkatkan tingkat koordinasi isolasi sistem tenaga, dan memastikan pengoperasian saluran transmisi 500kV yang aman dan stabil.

Dalam beberapa tahun terakhir, dengan peningkatan berkelanjutan dari teknologi simulasi komputer dan teknologi pengujian eksperimental, Penelitian tentang karakteristik transien elektromagnetik peralatan listrik di bawah impuls petir telah mencapai kemajuan besar. Namun, karena struktur menara tiang 500kV yang rumit dan sambaran petir yang sangat acak, Masih banyak permasalahan yang harus dipecahkan dalam penelitian karakteristik transien elektromagnetik menara kutub: (1) Penelitian yang ada sebagian besar berfokus pada kinerja proteksi petir pada seluruh saluran transmisi, dan penelitian tentang respons transien elektromagnetik dari menara kutub itu sendiri belum cukup mendalam; (2) Pengaruh perbedaan posisi sambaran petir dan nilai resistansi pentanahan terhadap karakteristik transien elektromagnetik menara tiang belum dipelajari secara sistematis.; (3) Keakuratan model simulasi perlu diverifikasi dengan data eksperimen yang lebih andal. Karena itu, perlu dilakukan kajian yang komprehensif dan mendalam terhadap karakteristik transien elektromagnetik tiang-menara saluran transmisi 500kV di bawah gelombang penuh impuls petir..

Sarjana asing telah melakukan banyak penelitian tentang proteksi petir pada saluran transmisi dan karakteristik transien elektromagnetik menara tiang sebelumnya.. Pada tahun 1970-an, sarjana seperti Wagner pertama kali mengajukan teori gelombang perjalanan tegangan lebih petir, yang meletakkan landasan teoretis untuk studi transien elektromagnetik menara kutub [5]. Dengan berkembangnya teknologi komputer, Metode simulasi elemen hingga telah banyak digunakan dalam studi transien elektromagnetik menara kutub. Sebagai contoh, D'Alessandro dkk. membuat model elemen hingga dua dimensi menara tiang saluran transmisi menggunakan perangkat lunak COMSOL Multiphysics, mensimulasikan proses transien elektromagnetik di bawah impuls petir, dan menganalisis hukum distribusi tegangan dan arus transien [6]. Petrache dkk. mempelajari pengaruh parameter arus petir terhadap respon transien elektromagnetik menara kutub melalui simulasi dan eksperimen, dan mengusulkan skema optimasi untuk desain proteksi petir pada menara tiang [7]. Sebagai tambahan, sarjana asing juga telah melakukan banyak penelitian tentang kinerja landasan menara tiang di bawah impuls petir, dan mempelajari pengaruh tahanan pentanahan dan struktur jaringan pentanahan terhadap respon transien [8-9].

Penelitian dalam negeri mengenai karakteristik transien elektromagnetik menara tiang saluran transmisi 500kV di bawah impuls petir telah berkembang pesat dalam beberapa tahun terakhir.. Banyak universitas dan lembaga penelitian telah melakukan penelitian mendalam di bidang ini. Sebagai contoh, Wang dkk. membuat model elemen hingga tiga dimensi menara tiang baja sudut 500kV menggunakan perangkat lunak ANSYS, mensimulasikan proses transien impuls petir, dan menganalisis distribusi medan elektromagnetik transien di sekitar menara kutub [10]. Li dkk. membangun model eksperimental menara tiang berskala kecil, melakukan uji gelombang penuh impuls petir, dan mempelajari karakteristik respons tegangan transien menara tiang di bawah posisi sambaran petir yang berbeda [11]. Zhang dkk.. mempelajari pengaruh resistansi pentanahan pada respons transien elektromagnetik menara tiang 500kV melalui simulasi dan eksperimen, dan mengusulkan metode untuk mengurangi resistensi pentanahan untuk meningkatkan kinerja proteksi petir [12]. Namun, masih terdapat beberapa kekurangan pada penelitian dalam negeri yang ada: (1) Model simulasinya kurang detail, dan pengaruh beberapa struktur halus menara tiang (seperti sambungan antara baja siku dan tali isolator) pada respons sementara tidak dipertimbangkan; (2) Sistematika penelitian eksperimental tidak kuat, dan verifikasi model simulasi tidak komprehensif; (3) Penelitian tentang mekanisme kopling transien elektromagnetik antara menara kutub dan konduktor belum cukup mendalam.

Tujuan utama dari makalah ini adalah: (1) Untuk menguraikan dasar teoritis karakteristik transien elektromagnetik dari tiang-menara saluran transmisi 500kV di bawah gelombang penuh impuls petir, termasuk ciri-ciri impuls petir gelombang penuh, hukum distribusi medan elektromagnetik, dan mekanisme respons sementara; (2) Untuk membuat model elemen hingga tiga dimensi presisi tinggi dari menara tiang baja sudut 500kV, dan mensimulasikan proses transien elektromagnetik di bawah gelombang penuh impuls petir; (3) Untuk menganalisis karakteristik distribusi tegangan transien, arus sementara, dan medan elektromagnetik transien menara kutub di bawah pengaruh berbagai faktor (posisi sambaran petir, resistensi grounding); (4) Untuk membangun model eksperimental menara tiang dengan skala yang diperkecil, melakukan uji gelombang penuh impuls petir, dan memverifikasi kebenaran model simulasi; (5) Mengedepankan saran optimasi desain proteksi petir tiang-menara saluran transmisi 500kV berdasarkan hasil penelitian.

Ruang lingkup penelitian makalah ini meliputi: (1) Menara tiang baja sudut 500kV yang biasa digunakan dalam bidang teknik; (2) Gelombang penuh impuls petir dengan parameter 1,2/50μs (waktu depan/waktu setengah jam sibuk) yang sesuai dengan standar IEC; (3) Tiga posisi sambaran petir yang khas: puncak menara, kayu lintang, dan konduktor; (4) Empat nilai resistansi pentanahan yang khas: 5Oh, 10Oh, 15Oh, dan 20Ω; (5) Karakteristik transien elektromagnetik dari menara kutub, termasuk tegangan transien, arus sementara, dan distribusi medan elektromagnetik sementara.

Makalah ini dibagi menjadi enam bab. Bab 1 adalah pendahuluan, yang menguraikan latar belakang dan signifikansi penelitian, merangkum status penelitian di dalam dan luar negeri, memperjelas tujuan dan ruang lingkup penelitian, dan memperkenalkan struktur tesis. Bab 2 memperkenalkan dasar teori transien elektromagnetik di bawah impuls petir, termasuk ciri-ciri impuls petir gelombang penuh, teori dasar transien elektromagnetik, dan mekanisme respons sementara struktur menara tiang. Bab 3 menjelaskan pembuatan model simulasi elemen hingga menara tiang 500kV, termasuk penyederhanaan model, parameter bahan, kondisi batas, dan pembebanan impuls petir gelombang penuh. Bab 4 menganalisis hasil simulasi karakteristik transien elektromagnetik menara kutub di bawah berbagai faktor pengaruh. Bab 5 memperkenalkan desain dan implementasi model eksperimental skala kecil, dan memverifikasi hasil simulasi melalui tes eksperimental. Bab 6 adalah kesimpulan dan prospek, yang merangkum hasil penelitian utama, mengajukan saran optimasi untuk desain proteksi petir pada menara tiang 500kV, dan menantikan arah penelitian di masa depan.

Impuls petir merupakan salah satu jenis tegangan lebih transien dengan durasi pendek dan amplitudo tinggi. Gelombang penuh impuls petir biasanya ditentukan oleh dua parameter: waktu depan (T1) dan waktu setengah puncak (T2). Menurut IEC 60060-1 standar, gelombang penuh impuls petir standar memiliki waktu depan 1,2μs (toleransi ±30%) dan waktu setengah puncak 50μs (toleransi ±20%), yang dicatat sebagai 1,2/50μs [13]. Bentuk gelombang gelombang penuh impuls petir standar ditunjukkan pada Gambar 1.

Ekspresi matematis gelombang penuh impuls petir standar dapat dijelaskan dengan fungsi eksponensial ganda [14]:

Dimana: \( U_m \) adalah nilai puncak tegangan impuls petir; \( \tau_1 \) adalah konstanta waktu depan, yang menentukan kecuraman muka gelombang; \( \tau_2 \) adalah konstanta waktu ekor, yang menentukan durasi ekor gelombang; \( t \) adalah waktunya.

Nilai puncak tegangan impuls petir yang dihasilkan oleh petir alami dapat mencapai ratusan kilovolt hingga jutaan kilovolt, dan nilai puncak arus petir bisa mencapai puluhan kiloamper hingga ratusan kiloamper. Untuk saluran transmisi 500kV, level tegangan impuls petir biasanya 1425kV, yang ditentukan sesuai dengan persyaratan koordinasi isolasi sistem tenaga [15]. Saat terjadi sambaran petir, gelombang penuh impuls petir akan diinjeksikan ke tiang-menara melalui titik sambaran, lalu menyebar sepanjang badan menara hingga ke tanah, menginduksi fenomena transien elektromagnetik yang kompleks.

Selain gelombang penuh standar 1,2/50μs, ada juga impuls petir depan curam dan impuls petir ekor panjang di alam. Impuls petir dengan arah curam memiliki waktu depan yang lebih pendek (kurang dari 1μs) dan kecuraman muka gelombang yang lebih tinggi, yang memiliki dampak lebih besar pada isolasi menara tiang. Impuls petir ekor panjang mempunyai waktu setengah puncak yang lebih lama (lebih dari 50μs), yang dapat menyebabkan kerusakan kumulatif pada peralatan. Namun, gelombang penuh impuls petir standar 1,2/50μs adalah yang paling representatif, jadi makalah ini berfokus pada karakteristik transien elektromagnetik dari menara kutub di bawah bentuk gelombang ini.

Proses transien elektromagnetik dari menara kutub di bawah impuls petir adalah masalah penggabungan medan elektromagnetik yang kompleks, yang mengikuti persamaan Maxwell [16]. Persamaan Maxwell adalah persamaan dasar yang menggambarkan medan elektromagnetik, termasuk hukum Gauss untuk listrik, Hukum Gauss untuk magnetisme, Hukum induksi elektromagnetik Faraday, dan hukum Ampere-Maxwell. Bentuk diferensial persamaan Maxwell adalah sebagai berikut:

Dimana: \( \vektor{D} \) adalah vektor perpindahan listrik; \( \rho_v \) adalah kepadatan muatan volume; \( \vektor{B} \) adalah intensitas induksi magnetik; \( \vektor{E} \) adalah intensitas medan listrik; \( \vektor{H} \) adalah intensitas medan magnet; \( \vektor{J} \) adalah kepadatan arus; \( t \) adalah waktunya.

Dalam analisis transien elektromagnetik menara kutub, struktur tiang-menara biasanya dianggap sebagai konduktor, dan medium disekitarnya adalah udara. Hubungan konstitutif konduktor dan udara adalah sebagai berikut:

Dimana: \( \varepsilon \) adalah permitivitas; \( \di dalam \) adalah permeabilitas; \( \sigma \) adalah konduktivitas.

Ketika gelombang penuh impuls petir disuntikkan ke tiang-menara, arus yang bervariasi terhadap waktu akan dihasilkan di badan menara, yang akan membangkitkan medan elektromagnetik yang bervariasi terhadap waktu di sekitar menara kutub. Medan elektromagnetik yang berubah terhadap waktu akan menginduksi arus eddy pada konduktor menara kutub, dan akan ada kopling elektromagnetik antara badan menara, kayu lintang, rangkaian isolator, dan konduktor. Respon transien elektromagnetik tiang-menara merupakan hasil interaksi antara impuls petir yang disuntikkan, medan elektromagnetik, dan struktur menara tiang.

Struktur tiang-menara adalah struktur rangka spasial kompleks yang terdiri dari baja bersudut ganda yang dihubungkan dengan baut. Saat petir menyambar tiang menara, mekanisme respons sementara menara tiang terutama mencakup aspek-aspek berikut:

(1) Mekanisme distribusi tegangan dan arus: Tegangan impuls petir yang diinjeksikan dari titik sambaran akan didistribusikan ke seluruh badan menara. Karena kapasitansi dan induktansi terdistribusi dari badan menara, tegangan dan arus akan menimbulkan efek gelombang berjalan selama proses propagasi. Impedansi gelombang badan menara merupakan parameter penting yang mempengaruhi distribusi tegangan dan arus. Impedansi gelombang menara tiang baja sudut biasanya antara 100Ω dan 300Ω, yang berhubungan dengan luas penampang badan menara, jarak antar baja sudut, dan tinggi menara [17].

(2) Mekanisme kopling medan elektromagnetik: Arus yang berubah terhadap waktu di badan menara akan menghasilkan medan elektromagnetik yang berubah terhadap waktu di sekitar tiang menara. Medan elektromagnetik akan menginduksi tegangan dan arus pada konduktor dan komponen logam yang berdekatan, yang merupakan efek induksi elektromagnetik. Pada waktu bersamaan, medan elektromagnetik juga akan berinteraksi dengan perangkat grounding menara tiang, mempengaruhi arus grounding dan tegangan grounding [18].

(3) Mekanisme respons isolasi: Tali isolator antara menara tiang dan konduktor merupakan komponen insulasi yang penting. Di bawah pengaruh tegangan lebih impuls petir, rangkaian isolator akan menghasilkan tegangan transien yang tinggi. Jika tegangan transien melebihi kekuatan isolasi rangkaian isolator, flashover isolasi akan terjadi, menyebabkan hubungan pendek antara konduktor dan menara tiang [19].

(4) Mekanisme respons landasan: Perangkat pembumian menara tiang digunakan untuk mengarahkan arus petir ke dalam tanah dan mengurangi tegangan pembumian. Di bawah pengaruh impuls petir, resistansi pentanahan perangkat pentanahan akan menunjukkan karakteristik transien. Karena efek kulit dan ionisasi tanah, resistansi pentanahan sementara biasanya lebih kecil daripada resistansi pentanahan kondisi tunak, namun hukum perubahan itu rumit [20]. Respon pentanahan secara langsung mempengaruhi laju redaman arus petir dan distribusi tegangan transien pada tiang-menara..

Singkatnya, respons transien elektromagnetik dari menara kutub di bawah impuls petir adalah hasil komprehensif dari berbagai mekanisme seperti distribusi tegangan dan arus, kopling medan elektromagnetik, respon isolasi, dan respons landasan. Untuk menganalisis secara akurat karakteristik transien elektromagnetik menara kutub, mekanisme ini perlu dipertimbangkan secara komprehensif dan menetapkan model matematika dan model simulasi yang masuk akal.

Menara tiang baja sudut 500kV yang dipelajari dalam makalah ini adalah menara tipe 猫头 yang khas., dengan tinggi total 45m, lebar alas 8m, dan panjang lengan melintang 12m. Badan menara terdiri dari baja sudut Q355, dengan ukuran penampang berbeda pada ketinggian berbeda. Lengan silang juga terdiri dari baja sudut Q355, dan tali isolator terbuat dari plastik yang diperkuat serat kaca. Karena struktur menara tiang yang rumit, penyederhanaan model selama proses pemodelan elemen hingga perlu dilakukan untuk meningkatkan efisiensi penghitungan dengan tujuan memastikan keakuratan penghitungan.

Langkah-langkah penyederhanaan utama adalah sebagai berikut: (1) Abaikan sambungan baut antara baja sudut, dan berasumsi bahwa sambungannya kaku; (2) Sederhanakan rangkaian isolator sebagai isolator berbentuk silinder dengan diameter dan panjang ekivalen yang sama; (3) Abaikan komponen kecil seperti pelat kaki menara dan penjepit kabel, yang berdampak kecil pada respons transien elektromagnetik; (4) Perangkat grounding disederhanakan sebagai grid grounding horizontal dengan panjang 20m, lebar 20m, dan kedalaman penguburan 0,8m, dan konduktor pentanahan adalah baja bundar dengan diameter 12mm.

Berdasarkan langkah penyederhanaan di atas, model geometris tiga dimensi menara tiang 500kV dibuat menggunakan perangkat lunak ANSYS DesignModeler. Model geometris meliputi badan menara, kayu lintang, rangkaian isolator, konduktor, dan perangkat pembumian. Konduktornya adalah konduktor transmisi AC 500kV dengan diameter 25mm. Modelnya ditunjukkan pada Gambar 2.

Bahan utama yang digunakan dalam model menara tiang meliputi baja Q355 (tubuh tower, kayu lintang, konduktor pembumian), plastik yang diperkuat serat kaca (rangkaian isolator), udara (media sekitarnya), dan tanah (media landasan). Parameter material ditunjukkan pada Tabel 1.

Bahan	Konduktivitas σ (S/m)	Permitivitas ε (F/m)	Permeabilitas μ (jam/m)	Kepadatan ρ (kg/m³)
Baja Q355	5.8×10⁶	8.85×10⁻¹²	4π×10⁻⁷	7850
Plastik yang diperkuat serat kaca	1×10⁻¹²	3.54×10⁻¹¹	4π×10⁻⁷	1800
Udara	1×10⁻¹⁵	8.85×10⁻¹²	4π×10⁻⁷	1.29
Tanah	0.01	1.77×10⁻¹⁰	4π×10⁻⁷	1800

Perlu diperhatikan bahwa konduktivitas tanah dipengaruhi oleh faktor-faktor seperti jenis tanah, kadar air, dan suhu. dalam makalah ini, konduktivitas tanah diambil sebagai 0.01 S/m, yang merupakan nilai rata-rata tanah lempung yang biasa digunakan dalam bidang teknik [21]. Permitivitas plastik yang diperkuat serat kaca adalah 4 kali lipat dari udara, yang ditentukan menurut parameter material yang disediakan oleh pabrikan.

Pembuatan mesh adalah langkah kunci dalam simulasi elemen hingga, yang secara langsung mempengaruhi keakuratan perhitungan dan efisiensi perhitungan. Pembuatan mesh model tiang-menara dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak ANSYS Meshing. Mengingat struktur tiang menara yang rumit dan tingginya kebutuhan akurasi perhitungan medan elektromagnetik di dekat badan menara, strategi pembangkitan mesh berikut diadopsi:

(1) Gunakan jaring tetrahedral untuk badan menara, kayu lintang, rangkaian isolator, konduktor, dan perangkat pembumian, Yang dapat beradaptasi dengan bentuk geometris yang kompleks; (2) Gunakan jaring heksahedral untuk wilayah udara dan tanah, yang memiliki akurasi dan efisiensi perhitungan lebih tinggi; (3) Lakukan penyempurnaan mesh untuk wilayah dengan gradien medan elektromagnetik besar, seperti titik sambaran petir, hubungan antara badan menara dan lengan silang, dan jaringan grounding; (4) Kontrol ukuran mesh maksimum: ukuran mata jaring maksimum badan menara dan lengan silang adalah 0,5m, ukuran mesh maksimum dari string isolator dan konduktor adalah 0,2m, ukuran mata jaring maksimum dari jaringan pembumian adalah 0,3m, dan ukuran mata jaring maksimum wilayah udara dan tanah adalah 2m.

Setelah pembuatan mesh, jumlah total elemen mesh model adalah 1,256,800, dan jumlah total node adalah 2,345,600. Kualitas jaring diperiksa, dan rasio aspek rata-rata adalah 1.8, yang memenuhi persyaratan perhitungan elemen hingga.

3.4.1 Kondisi batas

Kondisi batas model simulasi ditetapkan sebagai berikut: (1) Batas medan jauh ditetapkan untuk wilayah udara. Batas medan jauh adalah batas non-reflektif, yang dapat mensimulasikan perluasan udara tanpa batas dan menghindari pantulan gelombang elektromagnetik pada batasnya, mempengaruhi hasil simulasi; (2) Batas tanah ditetapkan untuk wilayah tanah. Batas tanah ditetapkan sebagai batas konduktor sempurna, dengan asumsi bahwa tanahnya sangat dalam, dan gelombang elektromagnetik diserap seluruhnya oleh tanah; (3) Batas simetri tidak ditetapkan, karena sambaran petir merupakan beban asimetris, dan respons transien elektromagnetik dari menara kutub juga asimetris.

3.4.2 Memuat Pengaturan

Gelombang penuh impuls petir dibebani sebagai sumber tegangan pada titik sambaran. Sesuai dengan ruang lingkup penelitian makalah ini, tiga posisi sambaran petir khas dipilih: (1) Puncak menara: sumber tegangan dibebani di simpul atas badan menara; (2) Kayu lintang: sumber tegangan dibebani pada simpul ujung lengan silang; (3) Konduktor: sumber tegangan dibebani pada simpul tengah konduktor.

Parameter gelombang penuh impuls petir diatur menurut IEC 60060-1 standar: waktu depan 1,2μs, waktu setengah puncak 50μs, dan tegangan puncak 1425kV (tingkat tegangan impuls petir saluran transmisi 500kV). Bentuk gelombang tegangan dihasilkan menggunakan fungsi eksponensial ganda pada software ANSYS Maxwell, dan langkah waktu diatur ke 0,01μs untuk memastikan bahwa proses sementara ditangkap secara akurat. Waktu simulasi diatur ke 200μs, yang mencakup seluruh proses gelombang penuh impuls petir dari naik hingga peluruhan.

Sebagai tambahan, resistansi pentanahan disimulasikan dengan menambahkan batas resistansi pada jaringan pentanahan. Empat nilai resistansi pentanahan yang berbeda (5Oh, 10Oh, 15Oh, dan 20Ω) diatur untuk mempelajari pengaruh resistansi pentanahan pada respons transien elektromagnetik menara kutub.

Perhitungan simulasi dilakukan dengan menggunakan modul transient elektromagnetik field dari software ANSYS Maxwell. Pemecah diatur ke pemecah domain waktu, yang cocok untuk simulasi medan elektromagnetik transien dengan karakteristik yang berubah-ubah terhadap waktu. Metode perhitungannya adalah metode elemen hingga, yang mendiskritisasi domain solusi menjadi sejumlah besar elemen hingga, dan menyelesaikan persamaan Maxwell di setiap elemen untuk mendapatkan distribusi medan elektromagnetik.

Selama proses perhitungan, parameter berikut ditetapkan: (1) Kondisi awalnya nol, itu adalah, intensitas medan listrik awal dan intensitas medan magnet pada domain larutan adalah nol; (2) Kriteria konvergensi diatur ke 1×10⁻⁶, yang menjamin keakuratan perhitungan; (3) Akselerasi perangkat keras diaktifkan, menggunakan GPU untuk mempercepat perhitungan, yang meningkatkan efisiensi perhitungan.

Setelah perhitungan simulasi, tegangan transien, arus sementara, dan distribusi medan elektromagnetik transien setiap bagian tiang-menara pada waktu yang berbeda dapat diperoleh melalui modul pasca pemrosesan perangkat lunak ANSYS Maxwell.

Angka 3 menunjukkan bentuk gelombang tegangan transien dari berbagai bagian tiang menara ketika petir menyambar bagian atas menara (resistansi pentanahan adalah 10Ω). Hal ini dapat dilihat dari Gambar 3 bahwa tegangan transien setiap bagian tiang-menara meningkat pesat seiring dengan munculnya gelombang penuh impuls petir, mencapai nilai puncak sekitar 1,2μs, dan kemudian meluruh secara bertahap seiring dengan peluruhan ekor gelombang.

Nilai puncak tegangan transien pada berbagai bagian adalah sebagai berikut: puncak menara adalah 1425kV (sama dengan nilai puncak tegangan impuls petir yang dibebani), bagian tengah badan menara (22.5tinggi) adalah 785kV, bagian bawah badan menara (0tinggi) adalah 125kV, ujung lengan silang adalah 650kV, dan string isolator adalah 580kV. Tegangan transien berkurang secara bertahap dari puncak menara ke bawah menara, Hal ini dikarenakan badan menara mempunyai impedansi gelombang tertentu, dan tegangan impuls petir dilemahkan selama proses propagasi sepanjang badan menara.

Tegangan transien pada rangkaian isolator adalah tegangan antara lengan silang dan konduktor. Saat petir menyambar puncak menara, lengan silang berada pada tegangan transien tinggi, sedangkan penghantarnya tidak langsung tersambar petir, jadi tegangan transien pada rangkaian isolator adalah selisih antara tegangan transien lengan silang dan konduktor. Nilai puncak tegangan transien pada rangkaian isolator adalah 580kV, yang kurang dari kekuatan insulasi rangkaian isolator 500kV (1425kV), sehingga tidak terjadi flashover isolasi.

Angka 4 menunjukkan bentuk gelombang arus transien dari berbagai bagian tiang menara ketika petir menyambar puncak menara (resistansi pentanahan adalah 10Ω). Arus transien setiap bagian menara kutub juga meningkat pesat seiring dengan munculnya gelombang penuh impuls petir, mencapai nilai puncak sekitar 1,5μs, dan kemudian membusuk secara bertahap.

Nilai puncak arus transien pada berbagai bagian adalah sebagai berikut: puncak menara adalah 14,25kA, bagian tengah badan menara adalah 12,8kA, bagian bawah badan menara adalah 11,5kA, dan jaringan grounding adalah 11,5kA. Arus transien sedikit berkurang dari puncak menara ke bawah menara, Hal ini terjadi karena sebagian kecil arus bocor ke tanah melalui kapasitansi terdistribusi pada badan menara. Arus transien jaringan pembumian sama dengan arus transien di bagian bawah badan menara, yang menunjukkan bahwa semua arus di bagian bawah badan menara disuntikkan ke dalam tanah melalui jaringan pembumian.

Bentuk gelombang arus transien sedikit berbeda dengan tegangan transien. Waktu puncak arus transien lebih lambat dari waktu puncak tegangan transien, Hal ini karena induktansi badan menara dan jaringan grounding menyebabkan arus tertinggal dari tegangan.

Angka 5 menunjukkan distribusi medan elektromagnetik transien di sekitar menara kutub pada t=1,2μs (waktu puncak tegangan transien) ketika petir menyambar puncak menara (resistansi pentanahan adalah 10Ω). Intensitas medan elektromagnetik paling tinggi berada di dekat puncak menara, dengan nilai puncak 5,8×10⁵ V/m (intensitas medan listrik) dan 1,5×10³ A/m (intensitas medan magnet).

Medan elektromagnetik transien di sekitar menara kutub meluruh secara eksponensial seiring bertambahnya jarak. Bila jarak dari badan menara adalah 5m, intensitas medan listriknya adalah 1,2×10⁵ V/m, dan intensitas medan magnetnya adalah 3,2×10² A/m; ketika jaraknya 10m, intensitas medan listriknya adalah 2,8×10⁴ V/m, dan intensitas medan magnetnya adalah 7,5×10¹ A/m; ketika jaraknya 20m, intensitas medan listriknya adalah 6,8×10³ V/m, dan intensitas medan magnetnya adalah 1,8×10¹ A/m. Hukum distribusi ini konsisten dengan karakteristik gelombang elektromagnetik medan dekat yang dihasilkan oleh arus transien.

Sebagai tambahan, intensitas medan elektromagnetik memiliki directivity yang jelas. Intensitas medan elektromagnetik pada arah sambaran petir (arah vertikal) lebih tinggi dibandingkan pada arah horizontal, Hal ini karena arus transien pada badan menara sebagian besar bersifat vertikal, dan medan elektromagnetik yang dihasilkan oleh arus vertikal lebih kuat pada arah vertikal.

Angka 6 menunjukkan bentuk gelombang tegangan transien dari berbagai bagian menara kutub ketika petir menyambar lengan melintang (resistansi pentanahan adalah 10Ω). Dibandingkan dengan sambaran petir di puncak menara, tegangan transien lengan silang adalah yang tertinggi, dengan nilai puncak 1425kV. Tegangan transien di puncak menara adalah 980kV, bagian tengah badan menara adalah 560kV, bagian bawah badan menara adalah 105kV, dan string isolator adalah 850kV.

Tegangan transien pada rangkaian isolator jauh lebih tinggi dibandingkan saat petir menyambar bagian atas menara. Hal ini dikarenakan saat petir menyambar lengan yang melintang, lengan silangnya tepat berada pada tegangan puncak impuls petir, dan konduktor dekat dengan lengan silang, sehingga perbedaan tegangan antara lengan silang dan konduktor lebih besar. Nilai puncak tegangan transien pada rangkaian isolator adalah 850kV, yang masih kurang dari kekuatan isolasi rangkaian isolator, sehingga tidak terjadi flashover isolasi. Namun, jika tegangan impuls petir lebih tinggi atau kinerja isolasi rangkaian isolator berkurang, flashover isolasi dapat terjadi.

Angka 7 menunjukkan bentuk gelombang arus transien dari berbagai bagian menara kutub ketika petir menyambar lengan melintang (resistansi pentanahan adalah 10Ω). Nilai puncak arus transien pada lengan silang sebesar 14,25kA, puncak menara adalah 4,8kA, bagian tengah badan menara adalah 9,5kA, bagian bawah badan menara adalah 11.2kA, dan jaringan grounding adalah 11.2kA.

Dibandingkan dengan sambaran petir di puncak menara, arus transien di puncak menara jauh lebih kecil, sedangkan arus transien di bagian tengah badan menara sedikit lebih kecil. Hal ini dikarenakan saat petir menyambar lengan yang melintang, arusnya terbagi menjadi dua bagian: satu bagian mengalir ke puncak menara, dan sebagian lagi mengalir ke dasar menara. Karena impedansi gelombang yang lebih tinggi dari puncak menara, sebagian besar arus mengalir ke bagian bawah menara dan disuntikkan ke dalam tanah melalui jaringan pembumian.

Angka 8 menunjukkan distribusi medan elektromagnetik transien di sekitar tiang-menara pada t=1,2μs ketika petir menyambar lengan melintang (resistansi pentanahan adalah 10Ω). Intensitas medan elektromagnetik di dekat lengan silang adalah yang tertinggi, dengan nilai puncak 6,2×10⁵ V/m (intensitas medan listrik) dan 1,6×10³ A/m (intensitas medan magnet), yang lebih tinggi dari saat petir menyambar puncak menara.

Medan elektromagnetik transien di sekitar menara kutub juga meluruh secara eksponensial seiring bertambahnya jarak. Bila jarak dari lengan silang 5m, intensitas medan listriknya adalah 1,3×10⁵ V/m, dan intensitas medan magnetnya adalah 3,4×10² A/m; ketika jaraknya 10m, intensitas medan listriknya adalah 3,0×10⁴ V/m, dan intensitas medan magnetnya adalah 7,8×10¹ A/m. Pengarahan medan elektromagnetik juga terlihat jelas, dan intensitas medan elektromagnetik pada arah tegak lurus lengan silang lebih tinggi dibandingkan pada arah lainnya.

Angka 9 menunjukkan bentuk gelombang tegangan transien dari berbagai bagian menara kutub ketika petir menyambar konduktor (resistansi pentanahan adalah 10Ω). Ketika petir menyambar konduktor, tegangan transien konduktor adalah 1425kV, string isolator adalah 1425kV (sama dengan tegangan konduktor), lengan silang adalah 575kV, puncak menara adalah 480kV, bagian tengah badan menara adalah 320kV, dan bagian bawah badan menara adalah 85kV.

Tegangan transien pada rangkaian isolator paling tinggi ketika petir menyambar konduktor, yang sama dengan nilai puncak tegangan impuls petir. Hal ini dikarenakan konduktor tersebut langsung tersambar petir, dan rangkaian isolator menanggung tegangan penuh impuls petir. Nilai puncak tegangan transien pada rangkaian isolator adalah 1425kV, yang sama dengan kekuatan isolasi rangkaian isolator. Saat ini, rangkaian isolator berada pada kondisi kritis terjadinya flashover isolasi. Jika tegangan impuls petir sedikit lebih tinggi, flashover isolasi akan terjadi, menyebabkan hubungan pendek antara konduktor dan lengan silang.

Angka 10 menunjukkan bentuk gelombang arus transien dari berbagai bagian menara kutub ketika petir menyambar konduktor (resistansi pentanahan adalah 10Ω). Nilai puncak arus transien pada penghantar adalah 14,25kA, string isolator adalah 14,25kA, lengan silang adalah 12,5kA, puncak menara adalah 3.2kA, bagian tengah badan menara adalah 9,8kA, bagian bawah badan menara adalah 11.0kA, dan jaringan grounding adalah 11.0kA.

Ketika petir menyambar konduktor, arus ditransmisikan ke lengan silang melalui tali isolator, lalu dibagi menjadi dua bagian: satu bagian mengalir ke puncak menara, dan sebagian lagi mengalir ke dasar menara. Arus yang mengalir ke bagian bawah menara disuntikkan ke dalam tanah melalui jaringan grounding. Arus transien pada lengan silang sedikit lebih kecil dibandingkan pada konduktor, Hal ini terjadi karena sebagian kecil arus bocor ke udara melalui kapasitansi terdistribusi pada lengan silang.

Angka 11 menunjukkan distribusi medan elektromagnetik transien di sekitar tiang-menara pada t=1,2μs ketika petir menyambar konduktor (resistansi pentanahan adalah 10Ω). Intensitas medan elektromagnetik di dekat konduktor dan rangkaian isolator adalah yang tertinggi, dengan nilai puncak 6,5×10⁵ V/m (intensitas medan listrik) dan 1,7×10³ A/m (intensitas medan magnet), yang lebih tinggi dari saat petir menyambar puncak menara dan lengan salib.

Medan elektromagnetik transien di sekitar menara kutub meluruh secara eksponensial seiring bertambahnya jarak. Bila jarak dari konduktor adalah 5m, intensitas medan listriknya adalah 1,4×10⁵ V/m, dan intensitas medan magnetnya adalah 3,6×10² A/m; ketika jaraknya 10m, intensitas medan listriknya adalah 3,2×10⁴ V/m, dan intensitas medan magnetnya adalah 8,2×10¹ A/m. Medan elektromagnetik pada arah sejajar konduktor lebih tinggi dibandingkan pada arah lainnya.

Untuk mempelajari pengaruh tahanan pentanahan terhadap karakteristik transien elektromagnetik menara kutub, empat nilai resistansi pentanahan yang berbeda (5Oh, 10Oh, 15Oh, dan 20Ω) dipilih, dan posisi sambaran petir dipasang di puncak menara. Variasi nilai puncak tegangan dan arus transien pada berbagai bagian tiang-menara dengan tahanan pentanahan ditunjukkan pada Tabel 2.

Tahanan pentanahan (Oh)	Tegangan Transien Puncak di Puncak Menara (kV)	Tegangan Transien Puncak di Bawah Menara (kV)	Arus Transien Puncak di Puncak Menara (itu)	Arus Transien Puncak di Jaringan Pembumian (itu)
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

Hal ini dapat dilihat dari Tabel 2 bahwa nilai puncak tegangan transien di puncak menara tidak dipengaruhi oleh tahanan pentanahan, yang selalu sama dengan nilai puncak tegangan impuls petir yang dibebani. Namun, nilai puncak tegangan transien di bagian bawah menara meningkat secara signifikan seiring dengan meningkatnya resistansi pentanahan. Ketika resistansi pentanahan meningkat dari 5Ω menjadi 20Ω, nilai puncak tegangan transien di bagian bawah menara meningkat dari 65kV menjadi 245kV, peningkatan 277%.

Nilai puncak arus transien di puncak menara juga tidak dipengaruhi oleh tahanan pentanahan, sedangkan nilai puncak arus transien pada jaringan grounding menurun seiring dengan meningkatnya resistansi grounding. Ketika resistansi pentanahan meningkat dari 5Ω menjadi 20Ω, nilai puncak arus transien pada jaringan grounding menurun dari 13,8kA menjadi 8,5kA, penurunan sebesar 38.4%. Hal ini karena peningkatan resistansi pentanahan meningkatkan impedansi loop pentanahan, mengurangi arus yang disuntikkan ke dalam tanah.

Peningkatan tegangan transien di bagian bawah menara dan penurunan arus transien pada jaringan grounding akan meningkatkan risiko terjadinya flashover isolasi pada tiang-menara dan peralatan yang terpasang.. Karena itu, mengurangi tahanan pentanahan merupakan langkah efektif untuk meningkatkan kinerja proteksi petir pada menara tiang.

Berdasarkan analisis simulasi di atas, kesimpulan utama tentang karakteristik transien elektromagnetik menara tiang 500kV di bawah gelombang penuh impuls petir adalah sebagai berikut:

(1) Posisi sambaran petir mempunyai pengaruh yang signifikan terhadap respon transien elektromagnetik menara kutub. Ketika petir menyambar konduktor, tegangan transien pada rangkaian isolator adalah yang tertinggi, yang berada dalam keadaan kritis flashover isolasi; ketika petir menyambar lengan salib, intensitas medan elektromagnetik di dekat lengan silang adalah yang tertinggi; ketika petir menyambar puncak menara, tegangan transien dan arus di puncak menara adalah yang tertinggi.

(2) Tegangan transien menara tiang berkurang secara bertahap dari titik tumbukan ke dasar menara, dan arus transien juga sedikit berkurang. Medan elektromagnetik transien di sekitar menara kutub meluruh secara eksponensial seiring bertambahnya jarak, dan memiliki directivity yang jelas.

(3) Resistansi pentanahan mempunyai pengaruh yang signifikan terhadap respons transien elektromagnetik menara kutub. Dengan meningkatnya resistensi grounding, tegangan transien di bagian bawah menara meningkat secara signifikan, dan arus transien pada jaringan grounding berkurang, yang meningkatkan risiko terjadinya flashover isolasi.

(4) Rangkaian isolator mempunyai tegangan transien tertinggi ketika petir menyambar konduktor, yang merupakan kondisi kerja paling berbahaya untuk rangkaian isolator. Karena itu, dalam desain proteksi petir menara tiang, perhatian khusus harus diberikan pada perlindungan tali isolator ketika petir menyambar konduktor.

Untuk memverifikasi kebenaran model simulasi elemen hingga, model eksperimental skala kecil dari menara tiang 500kV dibangun berdasarkan prinsip kesamaan. Prinsip kesamaan mensyaratkan parameter geometris, parameter bahan, dan parameter beban model skala kecil serupa dengan prototipe [22]. Rasio skala model skala kecil terhadap prototipe diatur ke 1:20, yang ditentukan menurut ukuran laboratorium dan kapasitas pembangkit impuls petir.

Parameter geometri model skala tereduksi adalah sebagai berikut: tinggi total badan menara adalah 2,25m, lebar dasar adalah 0,4m, panjang lengan silang adalah 0,6m. Badan menara dan lengan silang terbuat dari baja sudut Q235 dengan ukuran penampang 5mm×5mm×0,5mm. Tali isolator terbuat dari kaca organik dengan diameter 2mm dan panjang 50mm. Konduktornya adalah kawat tembaga dengan diameter 1,25 mm. Alat pembumian berupa kisi-kisi pembumian horizontal dengan panjang 1m, lebar 1m, dan kedalaman penguburan 0,04m, dan konduktor pentanahan adalah kawat tembaga dengan diameter 0,6 mm.

Dalam hal pencocokan parameter material, berdasarkan prinsip kesamaan, permitivitas relatif, permeabilitas relatif dan konduktivitas material harus tetap konsisten dengan prototipe untuk memastikan kesamaan karakteristik elektromagnetik. Baja Q235 yang digunakan dalam model skala kecil memiliki konduktivitas 5,0×10⁶ S/m, yang mendekati ukuran baja Q355 5,8×10⁶ S/m pada prototipe, dan perbedaannya berada dalam kisaran kesalahan eksperimental yang dapat diterima. Permitivitas relatif kaca organik adalah 3.2, yang dekat dengan 4.0 plastik yang diperkuat serat kaca dalam prototipe, dan dapat memenuhi persyaratan simulasi kinerja isolasi. Tanah yang digunakan dalam percobaan ini adalah tanah lempung dengan konduktivitas sebesar 0.01 S/m, yang sama dengan yang diatur dalam model simulasi.

Untuk pencocokan parameter beban, gelombang penuh impuls petir yang diterapkan pada model skala tereduksi harus memenuhi rasio kesamaan tegangan. Menurut rasio skala geometris 1:20, rasio skala tegangan juga 1:20. Karena itu, nilai puncak tegangan impuls petir yang diterapkan pada model skala tereduksi adalah 1425kV / 20 = 71.25KV, dan parameter bentuk gelombangnya masih 1,2/50μs, yang sesuai dengan persyaratan standar.

Sistem eksperimental terutama terdiri dari generator impuls petir, model menara tiang skala kecil, sebuah sistem pengukuran, dan sistem grounding, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 12. Generator impuls petir adalah tipe GS-100kV, yang dapat menghasilkan gelombang penuh impuls petir standar 1,2/50μs dengan tegangan puncak yang dapat disesuaikan 0 hingga 100kV, memenuhi persyaratan beban eksperimental.

Sistem pengukuran mencakup pembagi tegangan tinggi, sensor arus, sensor medan elektromagnetik, dan sistem akuisisi data. Pembagi tegangan tinggi merupakan pembagi tegangan kapasitif dengan rasio pembagian tegangan sebesar 1000:1, yang digunakan untuk mengukur tegangan transien setiap bagian menara tiang. Sensor arus adalah kumparan Rogowski dengan rentang pengukuran 0-20kA dan bandwidth 10Hz-10MHz, yang digunakan untuk mengukur arus transien badan menara dan jaringan pembumian. Sensor medan elektromagnetik adalah probe medan elektromagnetik broadband dengan rentang pengukuran 1V/m-10⁶ V/m (medan listrik) dan 0,1A/m-10³ A/m (medan magnet), yang digunakan untuk mengukur medan elektromagnetik transien di sekitar menara kutub. Sistem akuisisi data menggunakan osiloskop digital dengan sampling rate 1GS/s dan kedalaman penyimpanan 10M, Yang secara akurat dapat menangkap bentuk gelombang sementara dari sinyal yang diukur.

Sistem pentanahan sistem eksperimental tidak tergantung pada sistem pentanahan laboratorium untuk menghindari interferensi timbal balik. Resistansi pentanahan dari sistem pentanahan eksperimental dapat disesuaikan, dan empat nilai resistansi 0,25Ω, 0.5Oh, 0.75Oh, dan 1Ω diatur sesuai dengan rasio kesamaan (konsisten dengan 5Ω, 10Oh, 15Oh, dan 20Ω dalam model simulasi). Jaringan pentanahan dari sistem eksperimental dihubungkan ke perangkat pentanahan model skala kecil untuk memastikan bahwa arus petir dapat disuntikkan dengan lancar ke dalam tanah..

Langkah-langkah percobaan dilakukan sesuai dengan IEC 60060-1 standar dan persyaratan yang relevan dari uji proteksi petir sistem tenaga, dan dibagi ke dalam tahap-tahap berikut:

(1) Persiapan pra-percobaan: Periksa integritas model skala kecil, memastikan bahwa koneksi antara badan menara, kayu lintang, rangkaian isolator, dan konduktor dapat diandalkan, dan pastikan bahwa perangkat pembumian memiliki kontak yang baik dengan tanah. Kalibrasi sistem pengukuran, termasuk pembagi tegangan tinggi, sensor arus, dan sensor medan elektromagnetik, untuk memastikan keakuratan data pengukuran. Sesuaikan generator impuls petir untuk menghasilkan gelombang penuh standar 1,2/50μs dengan tegangan puncak 71,25kV.

(2) Pemuatan eksperimental dan pengumpulan data: Lakukan percobaan di bawah tiga posisi sambaran petir (puncak menara, kayu lintang, konduktor) dan empat nilai resistansi pentanahan masing-masing. Untuk setiap kondisi kerja, nyalakan generator impuls petir untuk menyuntikkan gelombang penuh impuls petir ke titik sambaran, dan menggunakan sistem akuisisi data untuk mengumpulkan tegangan transien, arus sementara, dan sinyal medan elektromagnetik transien dari setiap bagian menara kutub. Setiap kondisi kerja diulang 5 kali untuk mengurangi kesalahan acak percobaan, dan nilai rata-ratanya 5 kumpulan data diambil sebagai hasil akhir percobaan.

(3) Penyelesaian pasca percobaan: Matikan peralatan percobaan secara berurutan, memilah data eksperimen yang dikumpulkan, dan menghilangkan data yang tidak valid dengan kesalahan yang jelas. Membersihkan lokasi percobaan dan menjaga peralatan percobaan dalam kondisi baik.

Mengambil kondisi kerja sambaran petir di puncak menara dan tahanan pentanahan sebesar 0,5Ω (sesuai dengan 10Ω dalam simulasi) sebagai contoh, hasil eksperimen dan hasil simulasi dibandingkan dan dianalisis. Angka 13 menunjukkan perbandingan bentuk gelombang tegangan transien di tengah badan menara antara percobaan dan simulasi. Terlihat dari gambar bahwa bentuk gelombang eksperimen dan bentuk gelombang simulasi mempunyai trend variasi yang sama: keduanya meningkat dengan cepat ke nilai puncak sekitar 1,2μs, dan kemudian membusuk secara bertahap. Nilai puncak tegangan transien yang diperoleh dari percobaan adalah 39,3kV, dan nilai puncak yang diperoleh dari simulasi adalah 41.2kV. Kesalahan relatifnya adalah 4.6%, yang kurang dari 8%.

Angka 14 menunjukkan perbandingan bentuk gelombang arus transien pada jaringan grounding antara percobaan dan simulasi. Bentuk gelombang eksperimen dan bentuk gelombang simulasi juga memiliki konsistensi yang baik. Waktu puncak arus eksperimental adalah sekitar 1,5μs, dan waktu puncak arus simulasi juga sekitar 1,5μs. Nilai puncak arus percobaan adalah 0,57kA, dan nilai puncak arus simulasi sebesar 0,59kA. Kesalahan relatifnya adalah 3.4%, yang berada dalam kisaran yang dapat diterima.

Angka 15 menunjukkan perbandingan intensitas medan listrik pada jarak 5m dari badan menara antara percobaan dan simulasi. Puncak intensitas medan listrik eksperimental adalah 6,1×10³ V/m, dan puncak intensitas medan listrik simulasi adalah 6,4×10³ V/m. Kesalahan relatifnya adalah 4.7%, yang juga kurang dari 8%. Intensitas medan magnet pada posisi yang sama juga mempunyai konsistensi yang baik, dengan kesalahan relatif sebesar 5.2%.

Meja 3 menunjukkan perbandingan nilai puncak tegangan transien, arus sementara, dan intensitas medan listrik dalam kondisi kerja yang berbeda. Tabel tersebut menunjukkan bahwa kesalahan relatif antara hasil eksperimen dan hasil simulasi pada semua kondisi kerja lebih kecil dari 8%, yang menunjukkan bahwa model simulasi elemen hingga yang dibuat dalam makalah ini memiliki akurasi dan keandalan yang tinggi, dan dapat secara akurat mensimulasikan proses transien elektromagnetik menara tiang 500kV di bawah gelombang penuh impuls petir.

Kondisi Kerja	Tipe Parameter	Nilai Eksperimental	Nilai Simulasi	Kesalahan Relatif (%)
Sambaran petir dari atas, R = 0,5Ω	Menara tegangan menengah (kV)	39.3	41.2	4.6
Sambaran petir dari atas, R = 0,5Ω	Arus jaringan pembumian (itu)	0.57	0.59	3.4
Sambaran petir menyilangkan lengan, R = 0,5Ω	Tegangan lintas lengan (kV)	71.3	74.5	4.3
Konduktor sambaran petir, R = 0,5Ω	Tegangan rangkaian isolator (kV)	71.2	76.8	7.7
Sambaran petir dari atas, R=1Ω	5m medan listrik (×10³V/m)	3.2	3.4	5.9

Alasan utama terjadinya kesalahan kecil antara hasil eksperimen dan hasil simulasi adalah: (1) Penyederhanaan model simulasi, seperti mengabaikan sambungan baut dan komponen kecil, menyebabkan sedikit perbedaan antara model simulasi dan struktur sebenarnya; (2) Faktor lingkungan dalam percobaan, seperti kelembaban udara dan suhu, memiliki dampak kecil pada distribusi medan elektromagnetik; (3) Kesalahan pengukuran peralatan percobaan itu sendiri. Namun, kesalahan ini berada dalam kisaran yang dapat diterima oleh penelitian teknik dan akademis, yang sepenuhnya memverifikasi rasionalitas dan kebenaran model simulasi.

dalam makalah ini, sebuah studi komprehensif tentang karakteristik transien elektromagnetik menara tiang saluran transmisi 500kV di bawah gelombang penuh impuls petir dilakukan dengan menggabungkan analisis teoritis, simulasi elemen hingga, dan verifikasi eksperimental. Kesimpulan penelitian utama adalah sebagai berikut:

(1) Sistem teoritis karakteristik transien elektromagnetik menara tiang 500kV di bawah impuls petir dibangun. Gelombang penuh impuls petir standar (1.2/50detik) mengikuti distribusi fungsi eksponensial ganda, dan proses transien elektromagnetik menara kutub diatur oleh persamaan Maxwell. Respons transien menara tiang adalah hasil dari tindakan komprehensif distribusi tegangan dan arus, kopling medan elektromagnetik, respon isolasi, dan landasan mekanisme respons.

(2) Model simulasi elemen hingga tiga dimensi presisi tinggi dari menara tiang baja sudut 500kV telah dibuat. Model tersebut mempertimbangkan karakteristik geometris badan menara, kayu lintang, rangkaian isolator, dan perangkat pembumian, dan secara akurat menetapkan parameter material dan kondisi batas. Hasil simulasi menunjukkan bahwa model tersebut dapat secara efektif menangkap proses transien elektromagnetik menara kutub di bawah impuls petir.

(3) Posisi sambaran petir dan tahanan pentanahan merupakan faktor kunci yang mempengaruhi respons transien elektromagnetik menara kutub. Ketika petir menyambar konduktor, rangkaian isolator mempunyai tegangan transien tertinggi (1425kV), yang berada dalam kondisi flashover kritis; ketika petir menyambar lengan salib, intensitas medan elektromagnetik di dekat lengan silang adalah yang tertinggi (6.2×10⁵V/m); ketika petir menyambar puncak menara, tegangan transien dan arus di puncak menara adalah yang tertinggi. Dengan peningkatan resistansi pentanahan dari 5Ω menjadi 20Ω, tegangan transien di bagian bawah menara meningkat sebesar 277%, dan arus transien pada jaringan grounding berkurang sebesar 38.4%, yang secara signifikan meningkatkan risiko terjadinya flashover isolasi.

(4) Medan elektromagnetik transien di sekitar menara kutub memiliki karakteristik distribusi spasial yang jelas. Ia meluruh secara eksponensial dengan bertambahnya jarak dari badan menara, dan memiliki directivity yang signifikan. Intensitas medan elektromagnetik pada arah sambaran petir paling tinggi pada jarak yang sama.

(5) Hasil verifikasi eksperimen menunjukkan bahwa kesalahan relatif antara hasil eksperimen dan hasil simulasi lebih kecil 8%, yang menegaskan keandalan dan keakuratan model simulasi. Hasil penelitian memberikan landasan teoritis dan teknis yang dapat diandalkan untuk desain proteksi petir menara tiang saluran transmisi 500kV.

Berdasarkan hasil penelitian, saran optimasi berikut diajukan untuk desain proteksi petir menara tiang saluran transmisi 500kV:

(1) Memperkuat perlindungan rangkaian isolator dalam kondisi sambaran petir konduktor. Direkomendasikan untuk memasang arester oksida logam pada rangkaian isolator menara tiang saluran transmisi 500kV, terutama di daerah rawan petir. Arester dapat membatasi tegangan lebih transien pada rangkaian isolator, hindari flashover isolasi, dan melindungi string isolator dan konduktor.

(2) Kurangi tahanan pentanahan menara tiang. Mengadopsi langkah-langkah seperti memperluas jaringan grounding, memasang elektroda grounding horizontal dan vertikal, dan menggunakan bahan pereduksi tahanan pentanahan untuk mengurangi tahanan pentanahan menara tiang hingga kurang dari 5Ω. Hal ini secara efektif dapat mengurangi tegangan transien di bagian bawah menara, meningkatkan arus transien yang disuntikkan ke dalam tanah, dan meningkatkan kinerja proteksi petir pada menara tiang.

(3) Mengoptimalkan struktur tiang-menara. Untuk bagian cross arm dan tower top yang rentan terhadap intensitas medan elektromagnetik tinggi, tingkatkan luas penampang baja sudut secara tepat atau gunakan pipa baja dengan konduktivitas yang lebih baik untuk mengurangi impedansi gelombang pada badan menara, sehingga mengurangi distribusi tegangan dan arus transien. Pada waktu bersamaan, rancang secara wajar jarak antara lengan silang dan konduktor untuk meningkatkan jarak insulasi.

(4) Memperkuat pemantauan proteksi petir pada saluran transmisi. Pasang perangkat pemantau petir di menara tiang saluran transmisi 500kV untuk memantau parameter sambaran petir secara real-time (seperti puncak arus petir, bentuk gelombang, posisi mogok) dan respons sementara menara tiang. Hal ini dapat memberikan dukungan data untuk optimalisasi desain proteksi petir dan pemeliharaan saluran transmisi.

Meskipun makalah ini telah melakukan penelitian mendalam tentang karakteristik transien elektromagnetik menara tiang 500kV di bawah gelombang penuh impuls petir., masih terdapat beberapa aspek yang perlu dikaji lebih lanjut kedepannya:

(1) Penelitian tentang karakteristik transien elektromagnetik dalam bentuk gelombang impuls petir non-standar. Petir alami termasuk petir depan yang curam, ekor panjang, dan impuls petir multi-stroke. Penelitian di masa depan harus fokus pada respons transien elektromagnetik menara kutub di bawah bentuk gelombang non-standar ini, dan mengevaluasi secara komprehensif kinerja proteksi petir pada menara tiang.

(2) Penelitian tentang pengaruh faktor lingkungan yang kompleks. Penelitian saat ini tidak mempertimbangkan pengaruh faktor lingkungan seperti hujan, salju, dan angin pada karakteristik transien elektromagnetik menara kutub. Penelitian di masa depan harus membuat model simulasi dengan mempertimbangkan faktor lingkungan yang kompleks, dan menganalisis pengaruh faktor-faktor ini terhadap respon transien menara tiang.

(3) Penelitian tentang kopling transien elektromagnetik antara menara tiang dan peralatan yang berdekatan. Menara tiang saluran transmisi 500kV berdekatan dengan peralatan seperti menara komunikasi dan lemari distribusi listrik. Medan transien elektromagnetik yang dihasilkan oleh sambaran petir mungkin mempunyai efek penggandengan pada peralatan yang berdekatan. Penelitian di masa depan harus mempelajari interferensi elektromagnetik antara menara tiang dan peralatan yang berdekatan, dan mengajukan langkah-langkah anti-intervensi yang sesuai.

(4) Pengembangan teknologi proteksi petir cerdas untuk menara tiang. Menggabungkan teknologi baru seperti kecerdasan buatan dan data besar untuk membangun sistem proteksi petir cerdas untuk menara tiang saluran transmisi 500kV. Sistem dapat memprediksi sambaran petir, menyesuaikan tindakan proteksi petir secara real time, dan meningkatkan kemampuan proteksi petir aktif pada sistem tenaga listrik.