Astratto: Come componente principale delle linee di trasmissione ad alta tensione da 500 kV, le torri polari svolgono la duplice funzione di sostegno dei conduttori e di messa a terra. I fulmini rappresentano una delle principali minacce al funzionamento sicuro e stabile delle linee di trasmissione, e la risposta transitoria elettromagnetica delle torri polari alle onde piene dell'impulso del fulmine influisce direttamente sul coordinamento dell'isolamento e sulla progettazione della protezione contro i fulmini dell'intero sistema elettrico. in questo documento, viene effettuato uno studio completo sulle caratteristiche transitorie elettromagnetiche dei torri polari della linea di trasmissione da 500 kV sotto impulso di fulmine a onda intera combinando l'analisi teorica, simulazione degli elementi finiti, e prove sperimentali. Prima, vengono elaborate le basi teoriche dei transitori elettromagnetici sotto l'impulso di un fulmine, comprese le caratteristiche delle onde piene dell'impulso del fulmine, la legge sulla distribuzione del campo elettromagnetico, e il meccanismo di risposta transitoria delle strutture a torre-polo. Poi, un modello tridimensionale agli elementi finiti con un angolo di 500 kV palo in acciaio-La torre viene installata utilizzando il software ANSYS Maxwell, e l'onda piena dell'impulso del fulmine (1.2/50μs) viene applicato per simulare il processo transitorio elettromagnetico della torre-polo. Le caratteristiche di distribuzione della tensione transitoria, corrente transitoria, e campo elettromagnetico transitorio della torre polare in diverse posizioni di fulminazione (cima della torre, braccio trasversale, e conduttore) e vengono analizzati diversi valori di resistenza di terra. Nel frattempo, viene costruito un modello sperimentale in scala ridotta della torre-polo sulla base del principio di similarità, e vengono eseguiti test dell'onda intera con impulso di fulmine per verificare la correttezza dei risultati della simulazione. I risultati lo dimostrano: (1) La posizione del fulmine ha un impatto significativo sulla risposta ai transitori elettromagnetici della torre-palo. La tensione e la corrente transitorie in cima alla torre sono massime quando un fulmine colpisce la cima della torre, e l'intensità del campo elettromagnetico vicino alla traversa è massima quando un fulmine colpisce la traversa. (2) Con l'aumento della resistenza di terra, la tensione transitoria in ciascuna parte della torre polare aumenta in modo significativo, e il tasso di attenuazione della corrente transitoria diminuisce, che aumenta il rischio di scariche di isolamento. (3) Il campo elettromagnetico transitorio attorno alla torre polare decade esponenzialmente con l'aumentare della distanza, e l'intensità del campo elettromagnetico alla stessa distanza è massima nella direzione del fulmine. (4) I risultati della simulazione sono in buon accordo con i risultati sperimentali, con un errore inferiore a 8%, che verifica l'affidabilità del modello agli elementi finiti stabilito. Questo studio fornisce una base teorica e un supporto tecnico per l'ottimizzazione della progettazione della protezione contro i fulmini, coordinamento dell'isolamento, e il funzionamento sicuro dei tralicci della linea di trasmissione da 500 kV.

parole: 500linea di trasmissione kV; torre-polo; Onda intera dell'impulso del fulmine; transitorio elettromagnetico; simulazione degli elementi finiti; verifica sperimentale

Con il rapido sviluppo del settore energetico, 500Le linee di trasmissione ad alta tensione kV sono diventate una parte importante della rete elettrica nazionale, intraprendendo l'importante compito di trasmissione di energia a lunga distanza e di grande capacità. Il funzionamento sicuro e stabile delle linee di trasmissione da 500 kV è direttamente correlato all'affidabilità dell'intero sistema energetico e al normale funzionamento della produzione e della vita sociale. però, I fulmini rappresentano una delle catastrofi naturali più gravi che mettono a rischio il funzionamento sicuro delle linee di trasmissione. Secondo le statistiche, i guasti causati dai fulmini rappresentano più di 40% dei guasti totali delle linee di trasmissione ad alta tensione, e in alcune aree soggette a fulmini, questa proporzione può anche raggiungere più di 60% [1]. Quando si verifica un fulmine su una linea di trasmissione o su un traliccio, verrà generata un'onda intera di forte impulso di fulmine, che indurrà complessi fenomeni transitori elettromagnetici nella struttura della torre-polo. Questi fenomeni transitori causeranno sovratensione e sovracorrente nella torre polare e nelle apparecchiature ad essa collegate, che potrebbe causare scariche di isolamento, danni all'apparecchiatura, e persino interruzioni di corrente, con conseguenti enormi perdite economiche e impatti sociali [2-3].

Come componente chiave di supporto e messa a terra della linea di trasmissione, la risposta transitoria elettromagnetica della torre polare all'onda intera dell'impulso del fulmine è la questione centrale della progettazione della protezione contro i fulmini della linea di trasmissione. La torre a palo è solitamente realizzata in acciaio angolare, tubo d'acciaio, o cemento, e la sua struttura è complessa, che coinvolgono più componenti come il corpo della torre, braccio trasversale, corda isolante, e dispositivo di messa a terra. Quando colpisce il fulmine, il processo transitorio elettromagnetico della torre polare è influenzato da molti fattori, come la posizione del fulmine, parametri della corrente di fulmine, resistenza di terra, e struttura a torre-polo [4]. Perciò, studio approfondito delle caratteristiche dei transitori elettromagnetici di torri polari da 500 kV sotto impulso di fulmine a onda intera, padroneggiare la legge di distribuzione della tensione transitoria, attuale, e campo elettromagnetico, e chiarire l'influenza di vari fattori sulla risposta ai transitori sono di grande importanza per ottimizzare la progettazione della protezione contro i fulmini delle torri polari, migliorare il livello di coordinamento dell’isolamento del sistema di alimentazione, e garantire il funzionamento sicuro e stabile delle linee di trasmissione da 500 kV.

In anni recenti, con il miglioramento continuo della tecnologia di simulazione al computer e della tecnologia di test sperimentale, la ricerca sulle caratteristiche transitorie elettromagnetiche delle apparecchiature di potenza sotto l'impulso di un fulmine ha fatto grandi progressi. però, a causa della complessa struttura delle torri polari da 500kV e della forte casualità dei fulmini, ci sono ancora molti problemi da risolvere nella ricerca sulle caratteristiche transitorie elettromagnetiche delle torri polari: (1) La ricerca attuale si concentra principalmente sulle prestazioni di protezione contro i fulmini dell’intera linea di trasmissione, e la ricerca sulla risposta ai transitori elettromagnetici della stessa torre polare non è sufficientemente approfondita; (2) L'influenza delle diverse posizioni dei fulmini e dei valori di resistenza di terra sulle caratteristiche transitorie elettromagnetiche della torre-palo non è stata studiata sistematicamente; (3) L'accuratezza del modello di simulazione deve essere verificata da dati sperimentali più affidabili. Perciò, è necessario effettuare uno studio completo e approfondito sulle caratteristiche transitorie elettromagnetiche delle torri-polo della linea di trasmissione da 500 kV sotto impulso di fulmine a onda intera.

Studiosi stranieri hanno condotto molte ricerche sulla protezione contro i fulmini delle linee di trasmissione e sulle caratteristiche transitorie elettromagnetiche delle torri polari in precedenza. Negli anni '70, studiosi come Wagner proposero per primi la teoria delle onde viaggianti della sovratensione da fulmine, che pose le basi teoriche per lo studio dei transitori elettromagnetici delle torri polari [5]. Con lo sviluppo della tecnologia informatica, I metodi di simulazione agli elementi finiti sono stati ampiamente utilizzati nello studio dei transitori elettromagnetici delle torri polari. Per esempio, D'Alessandro et al. ha creato un modello bidimensionale agli elementi finiti di una torre-palo di una linea di trasmissione utilizzando il software COMSOL Multiphysics, simulato il processo transitorio elettromagnetico sotto l'impulso di un fulmine, e analizzato la legge di distribuzione della tensione e della corrente transitoria [6]. Petrache et al. ha studiato l'influenza dei parametri della corrente di fulmine sulla risposta ai transitori elettromagnetici delle torri polari attraverso simulazioni ed esperimenti, e ha proposto uno schema di ottimizzazione per la progettazione della protezione contro i fulmini delle torri polari [7]. Inoltre, Numerosi studi sono stati condotti anche da studiosi stranieri sulle prestazioni di messa a terra delle torri polari sotto l'impulso di un fulmine, e ha studiato l'influenza della resistenza di terra e della struttura della griglia di terra sulla risposta ai transitori [8-9].

La ricerca nazionale sulle caratteristiche dei transitori elettromagnetici dei tralicci delle linee di trasmissione da 500 kV sotto impulso di fulmini si è sviluppata rapidamente negli ultimi anni. Molte università e istituti di ricerca hanno svolto ricerche approfondite in questo campo. Per esempio, Wang et al. ha creato un modello tridimensionale agli elementi finiti di una torre a palo in acciaio ad angolo di 500 kV utilizzando il software ANSYS, simulato il processo transitorio dell'impulso del fulmine, e ha analizzato la distribuzione del campo elettromagnetico transitorio attorno alla torre polare [10]. Li et al. ha costruito un modello sperimentale in scala ridotta di una torre-polo, effettuato prove a onda intera con impulso di fulmine, e hanno studiato le caratteristiche di risposta alla tensione transitoria della torre polare in diverse posizioni di fulminazione [11]. Zhang et al.. ha studiato l'influenza della resistenza di terra sulla risposta ai transitori elettromagnetici di torri polari da 500 kV attraverso simulazioni ed esperimenti, e ha proposto un metodo per ridurre la resistenza di terra per migliorare le prestazioni di protezione dai fulmini [12]. però, ci sono ancora alcune carenze nella ricerca nazionale esistente: (1) Il modello di simulazione non è sufficientemente dettagliato, e l'influenza di alcune belle strutture della torre-polo (come il collegamento tra gli angolari in acciaio e la corda isolante) sulla risposta transitoria non viene considerata; (2) La sistematicità della ricerca sperimentale non è forte, e la verifica del modello di simulazione non è completa; (3) La ricerca sul meccanismo di accoppiamento transitorio elettromagnetico tra torre-polo e conduttore non è sufficientemente approfondita.

Gli obiettivi principali di questo documento sono: (1) Elaborare le basi teoriche delle caratteristiche transitorie elettromagnetiche dei tralicci della linea di trasmissione da 500 kV sotto impulso di fulmine a onda intera, comprese le caratteristiche delle onde piene dell'impulso del fulmine, la legge sulla distribuzione del campo elettromagnetico, e il meccanismo di risposta transitoria; (2) Stabilire un modello tridimensionale agli elementi finiti ad alta precisione di una torre a palo in acciaio con angolo di 500 kV, e simulare il processo transitorio elettromagnetico sotto l'onda intera dell'impulso del fulmine; (3) Analizzare le caratteristiche di distribuzione della tensione transitoria, corrente transitoria, e campo elettromagnetico transitorio della torre polare sotto diversi fattori di influenza (posizione del fulmine, resistenza di terra); (4) Realizzare un modello sperimentale in scala ridotta della torre-polo, eseguire prove a onda intera con impulso di fulmine, e verificare la correttezza del modello di simulazione; (5) Presentare suggerimenti di ottimizzazione per la progettazione della protezione contro i fulmini delle torri-polo della linea di trasmissione da 500 kV sulla base dei risultati della ricerca.

L'ambito di ricerca di questo documento comprende: (1) La torre a palo in acciaio ad angolo da 500 kV comunemente utilizzata in ingegneria; (2) L'impulso del fulmine a onda intera con parametri di 1,2/50μs (orario di punta/metà ora di punta) che è in linea con lo standard IEC; (3) Tre posizioni tipiche dei fulmini: cima della torre, braccio trasversale, e conduttore; (4) Quattro valori tipici della resistenza di terra: 5OH, 10OH, 15OH, e 20Ω; (5) Le caratteristiche transitorie elettromagnetiche della torre-polo, compresa la tensione transitoria, corrente transitoria, e distribuzione del campo elettromagnetico transitorio.

Questo documento è diviso in sei capitoli. Capitolo 1 è l'introduzione, che approfondisce il contesto e il significato della ricerca, riassume lo stato della ricerca in patria e all'estero, chiarisce gli obiettivi e la portata della ricerca, e introduce la struttura della tesi. Capitolo 2 introduce le basi teoriche dei transitori elettromagnetici sotto l'impulso di un fulmine, comprese le caratteristiche delle onde piene dell'impulso del fulmine, la teoria di base dei transitori elettromagnetici, e il meccanismo di risposta transitoria delle strutture a torre-polo. Capitolo 3 descrive la realizzazione del modello di simulazione agli elementi finiti della torre-palo da 500 kV, compresa la semplificazione del modello, parametri del materiale, condizioni al contorno, e caricamento delle onde piene dell'impulso del fulmine. Capitolo 4 analizza i risultati della simulazione delle caratteristiche transitorie elettromagnetiche della torre-polo sotto diversi fattori di influenza. Capitolo 5 introduce la progettazione e l'implementazione del modello sperimentale in scala ridotta, e verifica i risultati della simulazione attraverso prove sperimentali. Capitolo 6 è la conclusione e la prospettiva, che riassume i principali risultati della ricerca, propone suggerimenti di ottimizzazione per la progettazione della protezione contro i fulmini delle torri polari da 500 kV, e attende con impazienza la futura direzione della ricerca.

L'impulso del fulmine è una sorta di sovratensione transitoria di breve durata e di ampiezza elevata. L'onda intera dell'impulso del fulmine è solitamente definita da due parametri: tempo anteriore (T1) e metà ora di punta (T2). Secondo la CEI 60060-1 standard, l'onda intera dell'impulso del fulmine standard ha un tempo anteriore di 1,2μs (tolleranza ±30%) e un tempo di mezzo picco di 50μs (tolleranza ±20%), che viene registrato come 1,2/50μs [13]. La forma d'onda dell'onda intera dell'impulso del fulmine standard è mostrata in Figura 1.

L'espressione matematica dell'onda intera dell'impulso del fulmine standard può essere descritta dalla doppia funzione esponenziale [14]:

Dove: \( U_m \) è il valore di picco della tensione dell'impulso di fulmine; \( \tau_1 \) è la costante del tempo anteriore, che determina la pendenza del fronte d'onda; \( \tau_2 \) è la costante di tempo della coda, che determina la durata della coda dell'onda; \( t \) è il momento.

Il valore di picco della tensione impulsiva del fulmine generata dai fulmini naturali può raggiungere da centinaia di kilovolt a milioni di kilovolt, e il valore di picco della corrente del fulmine può raggiungere da decine di kiloampere a centinaia di kiloampere. Per linee di trasmissione da 500 kV, il livello di tensione dell'impulso del fulmine è solitamente 1425kV, che è determinato in base ai requisiti di coordinamento dell'isolamento del sistema di alimentazione [15]. Quando si verifica un fulmine, l'onda intera dell'impulso del fulmine verrà iniettata nella torre-palo attraverso il punto d'impatto, e poi stesi lungo il corpo della torre fino al suolo, inducendo complessi fenomeni transitori elettromagnetici.

Oltre all'onda intera standard da 1,2/50μs, in natura ci sono anche impulsi di fulmini a fronte ripido e impulsi di fulmini a coda lunga. L'impulso del fulmine a fronte ripido ha un tempo anteriore più breve (meno di 1μs) e una maggiore pendenza del fronte d'onda, che incide maggiormente sull’isolamento della torre-palo. L'impulso del fulmine a coda lunga ha un tempo di semipicco più lungo (più di 50μs), che potrebbero causare danni cumulativi all'apparecchiatura. però, l'onda intera con impulso di fulmine standard da 1,2/50μs è la più rappresentativa, quindi questo articolo si concentra sulle caratteristiche transitorie elettromagnetiche della torre polare sotto questa forma d'onda.

Il processo transitorio elettromagnetico della torre polare sotto l'impulso del fulmine è un complesso problema di accoppiamento del campo elettromagnetico, che segue le equazioni di Maxwell [16]. Le equazioni di Maxwell sono le equazioni fondamentali che descrivono il campo elettromagnetico, compresa la legge di Gauss per l’elettricità, Legge di Gauss per il magnetismo, Legge di Faraday sull’induzione elettromagnetica, e la legge di Ampère-Maxwell. La forma differenziale delle equazioni di Maxwell è la seguente:

Dove: \( \vec{D} \) è il vettore spostamento elettrico; \( \rho_v \) è la densità di carica del volume; \( \vec{B} \) è l'intensità dell'induzione magnetica; \( \vec{E} \) è l'intensità del campo elettrico; \( \vec{H} \) è l'intensità del campo magnetico; \( \vec{J} \) è la densità di corrente; \( t \) è il momento.

Nell'analisi transitoria elettromagnetica della torre-polare, la struttura palo-torre è solitamente considerata come un conduttore, e il mezzo circostante è l'aria. Le relazioni costitutive del conduttore e dell'aria sono le seguenti:

Dove: \( \varepsilon \) è la permettività; \( \In \) è la permeabilità; \( \sigma \) è la conduttività.

Quando l'onda intera dell'impulso del fulmine viene iniettata nella torre polare, nel corpo della torre verrà generata una corrente variabile nel tempo, che ecciterà un campo elettromagnetico variabile nel tempo attorno alla torre polare. Il campo elettromagnetico variabile nel tempo indurrà correnti parassite nel conduttore della torre polare, e ci sarà un accoppiamento elettromagnetico tra il corpo della torre, braccio trasversale, corda isolante, e conduttore. La risposta transitoria elettromagnetica della torre-palo è il risultato dell'interazione tra l'impulso del fulmine immesso, il campo elettromagnetico, e la struttura della torre-polo.

La struttura della torre a palo è una complessa struttura reticolare spaziale composta da più acciai angolari collegati da bulloni. Quando il fulmine colpisce la torre-palo, il meccanismo di risposta transitoria della torre-polo comprende principalmente i seguenti aspetti:

(1) Meccanismo di distribuzione della tensione e della corrente: La tensione impulsiva del fulmine iniettata dal punto d'impatto sarà distribuita lungo il corpo della torre. A causa della capacità e dell'induttanza distribuite del corpo della torre, la tensione e la corrente avranno un effetto d'onda viaggiante durante il processo di propagazione. L'impedenza d'onda del corpo della torre è un parametro importante che influenza la distribuzione della tensione e della corrente. L'impedenza d'onda della torre a palo angolare in acciaio è solitamente compresa tra 100Ω e 300Ω, che è relativa all'area della sezione trasversale del corpo della torre, la spaziatura tra gli acciai angolari, e l'altezza della torre [17].

(2) Meccanismo di accoppiamento del campo elettromagnetico: La corrente variabile nel tempo nel corpo della torre genererà un campo elettromagnetico variabile nel tempo attorno alla torre-polo. Il campo elettromagnetico induce tensione e corrente nei conduttori e nei componenti metallici adiacenti, che è l'effetto di induzione elettromagnetica. Allo stesso tempo, il campo elettromagnetico interagirà anche con il dispositivo di messa a terra della torre-palo, influenzando la corrente e la tensione di terra [18].

(3) Meccanismo di risposta dell'isolamento: La stringa isolante tra la torre polare e il conduttore è un importante componente isolante. Sotto l'azione della sovratensione impulsiva del fulmine, la stringa isolante sopporterà un'elevata tensione transitoria. Se la tensione transitoria supera la resistenza dell'isolamento della stringa isolante, si verificherà una scarica di isolamento, provocando un cortocircuito tra il conduttore e la torre polare [19].

(4) Meccanismo di risposta alla messa a terra: Il dispositivo di messa a terra della torre-polo viene utilizzato per guidare la corrente del fulmine nel terreno e ridurre la tensione di terra. Sotto l'azione dell'impulso del fulmine, la resistenza di terra del dispositivo di messa a terra mostrerà caratteristiche transitorie. A causa dell'effetto pelle e della ionizzazione del suolo, la resistenza di terra transitoria è solitamente inferiore alla resistenza di terra a regime, ma la legge sul cambiamento è complessa [20]. La risposta di terra influenza direttamente il tasso di attenuazione della corrente di fulmine e la distribuzione della tensione transitoria sulla torre-palo.

In sintesi, la risposta transitoria elettromagnetica della torre polare sotto l'impulso del fulmine è il risultato completo di molteplici meccanismi come la distribuzione di tensione e corrente, accoppiamento del campo elettromagnetico, risposta di isolamento, e risposta di messa a terra. Analizzare accuratamente le caratteristiche transitorie elettromagnetiche della torre-polo, è necessario considerare questi meccanismi in modo esaustivo e stabilire un modello matematico e un modello di simulazione ragionevoli.

La torre a palo in acciaio ad angolo da 500 kV studiata in questo articolo è una tipica torre di tipo 猫头, con un'altezza totale di 45 m, una larghezza di base di 8 m, e una lunghezza del braccio trasversale di 12 m. Il corpo della torre è composto da acciai angolari Q355, con diverse dimensioni della sezione trasversale a diverse altezze. Anche il braccio trasversale è composto da acciai angolari Q355, e la corda isolante è realizzata in plastica rinforzata con fibra di vetro. A causa della complessa struttura della torre-palo, è necessario semplificare il modello durante il processo di modellazione degli elementi finiti per migliorare l'efficienza del calcolo con la premessa di garantire l'accuratezza del calcolo.

Le principali misure di semplificazione sono le seguenti: (1) Ignorare i collegamenti bullonati tra gli acciai angolari, e supponiamo che le connessioni siano rigide; (2) Semplificare la stringa isolante come isolante cilindrico con lo stesso diametro e lunghezza equivalenti; (3) Ignorare i componenti piccoli come la base della torre e il serracavo, che hanno poco impatto sulla risposta transitoria elettromagnetica; (4) Il dispositivo di messa a terra è semplificato come una griglia di messa a terra orizzontale lunga 20 m, una larghezza di 20 m, e una profondità di sepoltura di 0,8 m, e il conduttore di terra è un acciaio tondo con un diametro di 12 mm.

Sulla base delle misure di semplificazione di cui sopra, il modello geometrico tridimensionale della torre-palo da 500 kV è stato realizzato utilizzando il software ANSYS DesignModeler. Il modello geometrico comprende il corpo della torre, braccio trasversale, corda isolante, conduttore, e dispositivo di messa a terra. Il conduttore è un conduttore di trasmissione CA da 500 kV con un diametro di 25 mm. Il modello è mostrato in Figura 2.

I principali materiali coinvolti nel modello della torre a palo includono l’acciaio Q355 (corpo torre, braccio trasversale, conduttore di terra), plastica rinforzata con fibra di vetro (corda isolante), aria (mezzo circostante), e suolo (mezzo di messa a terra). I parametri del materiale sono mostrati nella tabella 1.

Materiale	Conduttività σ (S/m)	Permittività ε (F/m)	Permeabilità µ (H/m)	Densità ρ (kg/m³)
Q355 Acciaio	5.8×10⁶	8.85×10⁻¹²	4π×10⁻⁷	7850
Plastica rinforzata con fibra di vetro	1×10⁻¹²	3.54×10⁻¹¹	4π×10⁻⁷	1800
Aria	1×10⁻¹⁵	8.85×10⁻¹²	4π×10⁻⁷	1.29
Suolo	0.01	1.77×10⁻¹⁰	4π×10⁻⁷	1800

Va notato che la conduttività del terreno è influenzata da fattori come il tipo di terreno, contenuto di umidità, e temperatura. in questo documento, la conduttività del terreno è considerata come 0.01 S/m, che è il valore medio del terreno argilloso comunemente utilizzato in ingegneria [21]. La permettività della plastica rinforzata con fibra di vetro è 4 volte quello dell'aria, che è determinato in base ai parametri del materiale forniti dal produttore.

La generazione della mesh è un passaggio chiave nella simulazione degli elementi finiti, che influisce direttamente sulla precisione e sull'efficienza del calcolo. La generazione della mesh del modello torre-palo viene effettuata utilizzando il software ANSYS Meshing. Considerando la complessa struttura della torre-polo e l'elevato requisito di precisione di calcolo del campo elettromagnetico in prossimità del corpo della torre, vengono adottate le seguenti strategie di generazione della mesh:

(1) Utilizzare una rete tetraedrica per il corpo della torre, braccio trasversale, corda isolante, conduttore, e dispositivo di messa a terra, che può adattarsi alla forma geometrica complessa; (2) Utilizzare la mesh esaedrica per le regioni dell'aria e del suolo, che ha una maggiore precisione ed efficienza di calcolo; (3) Effettuare il perfezionamento della mesh per le regioni con ampio gradiente di campo elettromagnetico, come il punto di impatto del fulmine, il collegamento tra il corpo della torre e la traversa, e la griglia di terra; (4) Controlla la dimensione massima della mesh: la dimensione massima delle maglie del corpo della torre e della traversa è di 0,5 m, la dimensione massima delle maglie della stringa isolante e del conduttore è 0,2 m, la dimensione massima delle maglie della griglia di terra è 0,3 m, e la dimensione massima delle maglie delle regioni dell'aria e del suolo è di 2 m.

Dopo la generazione della mesh, il numero totale di elementi mesh del modello è 1,256,800, e il numero totale di nodi è 2,345,600. La qualità della mesh viene controllata, e il rapporto d'aspetto medio è 1.8, che soddisfa i requisiti del calcolo agli elementi finiti.

3.4.1 Condizioni al contorno

Le condizioni al contorno del modello di simulazione sono impostate come segue: (1) Il confine del campo lontano è impostato per la regione aerea. Il confine del campo lontano è un confine non riflettente, che può simulare l'infinita estensione dell'aria ed evitare la riflessione delle onde elettromagnetiche al confine, influenzare i risultati della simulazione; (2) Il confine del terreno è impostato per la regione del suolo. Il confine di terra è impostato come confine perfetto del conduttore, supponendo che il terreno sia infinitamente profondo, e le onde elettromagnetiche vengono completamente assorbite dal suolo; (3) Il limite di simmetria non è impostato, perché il fulmine è un carico asimmetrico, e anche la risposta ai transitori elettromagnetici della torre polare è asimmetrica.

3.4.2 Caricamento delle impostazioni

L'onda intera dell'impulso del fulmine viene caricata come sorgente di tensione nel punto d'impatto. Secondo l'ambito di ricerca di questo articolo, vengono selezionate tre posizioni tipiche dei fulmini: (1) Cima della torre: la sorgente di tensione viene caricata nel nodo superiore del corpo della torre; (2) Braccio incrociato: la sorgente di tensione viene caricata nel nodo terminale della traversa; (3) Conduttore: la sorgente di tensione viene caricata nel nodo centrale del conduttore.

I parametri dell'onda intera dell'impulso del fulmine sono impostati secondo la norma IEC 60060-1 standard: tempo anteriore 1,2μs, tempo di mezzo picco 50μs, e tensione di picco 1425kV (il livello di tensione dell'impulso di fulmine delle linee di trasmissione di 500 kV). La forma d'onda della tensione viene generata utilizzando la doppia funzione esponenziale nel software ANSYS Maxwell, e l'intervallo temporale è impostato su 0,01μs per garantire che il processo transitorio venga catturato accuratamente. Il tempo di simulazione è impostato su 200μs, che copre l'intero processo dell'onda intera dell'impulso del fulmine dall'ascesa al decadimento.

Inoltre, la resistenza di terra viene simulata aggiungendo un limite di resistenza sulla griglia di terra. Quattro diversi valori di resistenza di terra (5OH, 10OH, 15OH, e 20Ω) si propone di studiare l'influenza della resistenza di terra sulla risposta ai transitori elettromagnetici della torre-polo.

Il calcolo della simulazione viene effettuato utilizzando il modulo del campo elettromagnetico transitorio del software ANSYS Maxwell. Il risolutore è impostato sul risolutore del dominio del tempo, che è adatto per simulare il campo elettromagnetico transitorio con caratteristiche variabili nel tempo. Il metodo di calcolo è il metodo degli elementi finiti, che discretizza il dominio della soluzione in un gran numero di elementi finiti, e risolve le equazioni di Maxwell in ciascun elemento per ottenere la distribuzione del campo elettromagnetico.

Durante il processo di calcolo, vengono impostati i seguenti parametri: (1) La condizione iniziale è zero, questo è, l'intensità del campo elettrico iniziale e l'intensità del campo magnetico nel dominio della soluzione sono zero; (2) Il criterio di convergenza è impostato su 1×10⁻⁶, che garantisce la precisione del calcolo; (3) L'accelerazione hardware è abilitata, utilizzando la GPU per accelerare il calcolo, che migliora l’efficienza del calcolo.

Dopo il calcolo della simulazione, la tensione transitoria, corrente transitoria, e la distribuzione del campo elettromagnetico transitorio di ciascuna parte della torre polare in momenti diversi può essere ottenuta tramite il modulo di post-elaborazione del software ANSYS Maxwell.

figura 3 mostra la forma d'onda della tensione transitoria di diverse parti della torre-polo quando un fulmine colpisce la sommità della torre (la resistenza di terra è 10Ω). Lo si può vedere dalla Figura 3 che la tensione transitoria di ciascuna parte della torre-palo aumenta rapidamente con l'innalzarsi dell'onda intera dell'impulso del fulmine, raggiunge il valore di picco a circa 1,2μs, e poi decade gradualmente con il decadimento della coda dell'onda.

I valori di picco della tensione transitoria in diverse parti sono i seguenti: la sommità della torre è di 1425 kV (pari al valore di picco della tensione dell'impulso di fulmine caricato), al centro del corpo della torre (22.5altezza m) è 785kV, la parte inferiore del corpo della torre (0altezza m) è 125kV, l'estremità del braccio trasversale è 650 kV, e la stringa isolante è 580 kV. La tensione transitoria diminuisce gradualmente dalla sommità della torre alla parte inferiore della torre, questo perché il corpo della torre ha una certa impedenza d'onda, e la tensione dell'impulso di fulmine viene attenuata durante il processo di propagazione lungo il corpo della torre.

La tensione transitoria sulla stringa isolante è la tensione tra la traversa e il conduttore. Quando un fulmine colpisce la cima della torre, il braccio trasversale è ad alta tensione transitoria, mentre il conduttore non viene colpito direttamente dal fulmine, quindi la tensione transitoria sulla stringa isolante è la differenza tra la tensione transitoria del braccio trasversale e del conduttore. Il valore di picco della tensione transitoria sulla stringa isolante è 580 kV, che è inferiore alla resistenza di isolamento della stringa isolante da 500 kV (1425kV), quindi non si verifica alcuna scarica di isolamento.

figura 4 mostra la forma d'onda della corrente transitoria di diverse parti della torre-polo quando un fulmine colpisce la sommità della torre (la resistenza di terra è 10Ω). Anche la corrente transitoria di ciascuna parte della torre-polo aumenta rapidamente con l'aumento dell'onda intera dell'impulso del fulmine, raggiunge il valore di picco a circa 1,5μs, e poi decade gradualmente.

I valori di picco della corrente transitoria in diverse parti sono i seguenti: la parte superiore della torre è 14,25 kA, la parte centrale del corpo della torre è di 12,8 kA, la parte inferiore del corpo della torre è 11,5 kA, e la griglia di terra è 11,5 kA. La corrente transitoria diminuisce leggermente dalla sommità della torre alla base della torre, questo perché una piccola parte della corrente viene dispersa verso terra attraverso la capacità distribuita del corpo della torre. La corrente transitoria della rete di terra è uguale alla corrente transitoria alla base del corpo della torre, che indica che tutta la corrente presente alla base del corpo della torre viene iniettata nel terreno attraverso la griglia di terra.

La forma d'onda della corrente transitoria è leggermente diversa da quella della tensione transitoria. Il tempo di picco della corrente transitoria è successivo a quello della tensione transitoria, questo perché l'induttanza del corpo della torre e della griglia di terra fa sì che la corrente rimanga indietro rispetto alla tensione.

figura 5 mostra la distribuzione del campo elettromagnetico transitorio attorno alla torre polare a t=1,2μs (momento di picco della tensione transitoria) quando il fulmine colpisce la cima della torre (la resistenza di terra è 10Ω). L'intensità del campo elettromagnetico è massima vicino alla sommità della torre, con un valore di picco di 5,8×10⁵ V/m (intensità del campo elettrico) e 1,5×10³ A/m (intensità del campo magnetico).

Il campo elettromagnetico transitorio attorno alla torre polare decade esponenzialmente con l'aumentare della distanza. Quando la distanza dal corpo della torre è 5 m, l'intensità del campo elettrico è 1,2×10⁵ V/m, e l'intensità del campo magnetico è 3,2×10² A/m; quando la distanza è di 10 m, l'intensità del campo elettrico è 2,8×10⁴ V/m, e l'intensità del campo magnetico è 7,5×10¹ A/m; quando la distanza è di 20 m, l'intensità del campo elettrico è 6,8×10³ V/m, e l'intensità del campo magnetico è 1,8×10¹ A/m. Questa legge di distribuzione è coerente con le caratteristiche dell'onda elettromagnetica del campo vicino generata dalla corrente transitoria.

Inoltre, l'intensità del campo elettromagnetico ha una direttività evidente. L'intensità del campo elettromagnetico nella direzione del fulmine (direzione verticale) è più alto di quello in direzione orizzontale, questo perché la corrente transitoria nel corpo della torre è prevalentemente verticale, e il campo elettromagnetico generato dalla corrente verticale è più forte nella direzione verticale.

figura 6 mostra la forma d'onda della tensione transitoria di diverse parti della torre-palo quando un fulmine colpisce la traversa (la resistenza di terra è 10Ω). Rispetto al fulmine in cima alla torre, la tensione transitoria della traversa è la più alta, con un valore di picco di 1425kV. La tensione transitoria in cima alla torre è 980kV, la parte centrale del corpo della torre è di 560 kV, la parte inferiore del corpo della torre è di 105 kV, e la stringa isolante è 850 kV.

La tensione transitoria sulla stringa isolante è significativamente più elevata di quella che si verifica quando un fulmine colpisce la sommità della torre. Questo perché quando un fulmine colpisce la croce, la traversa si trova direttamente alla tensione di picco dell'impulso del fulmine, e il conduttore è vicino alla traversa, quindi la differenza di tensione tra la traversa e il conduttore è maggiore. Il valore di picco della tensione transitoria sulla stringa isolante è 850kV, che è comunque inferiore alla resistenza isolante della stringa isolante, quindi non si verifica alcuna scarica di isolamento. però, se la tensione dell'impulso del fulmine è superiore o le prestazioni di isolamento della stringa isolante sono ridotte, potrebbero verificarsi scariche di isolamento.

figura 7 mostra la forma d'onda della corrente transitoria di diverse parti della torre-palo quando un fulmine colpisce la traversa (la resistenza di terra è 10Ω). Il valore di picco della corrente transitoria sulla traversa è 14,25 kA, la parte superiore della torre è 4,8 kA, la parte centrale del corpo della torre è di 9,5 kA, la parte inferiore del corpo della torre è 11,2 kA, e la griglia di terra è 11,2 kA.

Rispetto al fulmine in cima alla torre, la corrente transitoria in cima alla torre è significativamente più piccola, mentre la corrente transitoria al centro del corpo della torre è leggermente minore. Questo perché quando un fulmine colpisce la croce, la corrente è divisa in due parti: una parte scorre verso la sommità della torre, e l'altra parte scorre al fondo della torre. A causa della maggiore impedenza d'onda della parte superiore della torre, la maggior parte della corrente scorre alla base della torre e viene iniettata nel terreno attraverso la rete di terra.

figura 8 mostra la distribuzione del campo elettromagnetico transitorio attorno alla torre-palo a t=1.2μs quando il fulmine colpisce la traversa (la resistenza di terra è 10Ω). L'intensità del campo elettromagnetico vicino alla traversa è la più alta, con un valore di picco di 6,2×10⁵ V/m (intensità del campo elettrico) e 1,6×10³ A/m (intensità del campo magnetico), che è più alto di quello quando un fulmine colpisce la cima della torre.

Anche il campo elettromagnetico transitorio attorno alla torre polare decade esponenzialmente con l'aumentare della distanza. Quando la distanza dal braccio trasversale è 5 m, l'intensità del campo elettrico è 1,3×10⁵ V/m, e l'intensità del campo magnetico è 3,4×10² A/m; quando la distanza è di 10 m, l'intensità del campo elettrico è 3,0×10⁴ V/m, e l'intensità del campo magnetico è 7,8×10¹ A/m. Anche la direttività del campo elettromagnetico è ovvia, e l'intensità del campo elettromagnetico nella direzione perpendicolare alla traversa è maggiore di quella in altre direzioni.

figura 9 mostra la forma d'onda della tensione transitoria di diverse parti della torre polare quando un fulmine colpisce il conduttore (la resistenza di terra è 10Ω). Quando un fulmine colpisce il conduttore, la tensione transitoria del conduttore è 1425kV, la stringa isolante è 1425 kV (uguale alla tensione del conduttore), il braccio trasversale è 575 kV, la parte superiore della torre è di 480 kV, la parte centrale del corpo della torre è di 320 kV, e la parte inferiore del corpo della torre è 85 kV.

La tensione transitoria sulla stringa isolante è massima quando il fulmine colpisce il conduttore, che è uguale al valore di picco della tensione dell'impulso del fulmine. Questo perché il conduttore viene colpito direttamente dal fulmine, e la stringa isolante sopporta l'intera tensione dell'impulso del fulmine. Il valore di picco della tensione transitoria sulla stringa isolante è 1425 kV, che è uguale alla resistenza dell'isolamento della stringa isolante. In questo momento, la stringa di isolanti si trova nello stato critico di scarica di isolamento. Se la tensione dell'impulso del fulmine è leggermente superiore, si verificherà una scarica di isolamento, provocando un cortocircuito tra il conduttore e la traversa.

figura 10 mostra la forma d'onda della corrente transitoria di diverse parti della torre palo quando un fulmine colpisce il conduttore (la resistenza di terra è 10Ω). Il valore di picco della corrente transitoria sul conduttore è 14,25 kA, la stringa isolante è 14,25 kA, il braccio trasversale è 12,5 kA, la parte superiore della torre è 3,2 kA, la parte centrale del corpo della torre è di 9,8 kA, la parte inferiore del corpo della torre è 11,0 kA, e la griglia di terra è 11,0 kA.

Quando un fulmine colpisce il conduttore, la corrente viene trasmessa alla traversa attraverso la corda isolante, poi diviso in due parti: una parte scorre verso la sommità della torre, e l'altra parte scorre al fondo della torre. La corrente che scorre alla base della torre viene iniettata nel terreno attraverso la griglia di messa a terra. La corrente transitoria sulla traversa è leggermente inferiore a quella sul conduttore, questo perché una piccola parte della corrente viene dispersa nell'aria attraverso la capacità distribuita della traversa.

figura 11 mostra la distribuzione del campo elettromagnetico transitorio attorno alla torre polare a t=1.2μs quando il fulmine colpisce il conduttore (la resistenza di terra è 10Ω). L'intensità del campo elettromagnetico vicino al conduttore e alla stringa isolante è la più alta, con un valore di picco di 6,5×10⁵ V/m (intensità del campo elettrico) e 1,7×10³ A/m (intensità del campo magnetico), che è più alto di quello quando un fulmine colpisce la sommità della torre e la traversa.

Il campo elettromagnetico transitorio attorno alla torre polare decade esponenzialmente con l'aumentare della distanza. Quando la distanza dal conduttore è 5 m, l'intensità del campo elettrico è 1,4×10⁵ V/m, e l'intensità del campo magnetico è 3,6×10² A/m; quando la distanza è di 10 m, l'intensità del campo elettrico è 3,2×10⁴ V/m, e l'intensità del campo magnetico è 8,2×10¹ A/m. Il campo elettromagnetico nella direzione parallela al conduttore è maggiore di quello nelle altre direzioni.

Studiare l'influenza della resistenza di terra sulle caratteristiche transitorie elettromagnetiche della torre-polo, quattro diversi valori di resistenza di terra (5OH, 10OH, 15OH, e 20Ω) sono selezionati, e la posizione del fulmine è fissata in cima alla torre. La variazione del valore di picco della tensione e della corrente transitoria in diverse parti della torre-polo con resistenza di terra è mostrata nella tabella 2.

Resistenza a terra (OH)	Tensione transitoria di picco in cima alla torre (kV)	Tensione transitoria di picco nella parte inferiore della torre (kV)	Corrente transitoria di picco in cima alla torre (IL)	Corrente transitoria di picco sulla rete di terra (IL)
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

Lo si può vedere dalla Tabella 2 che il valore di picco della tensione transitoria in cima alla torre non sia influenzato dalla resistenza di terra, che è sempre uguale al valore di picco della tensione dell'impulso di fulmine caricato. però, il valore di picco della tensione transitoria alla base della torre aumenta significativamente con l'aumento della resistenza di terra. Quando la resistenza di terra aumenta da 5Ω a 20Ω, il valore di picco della tensione transitoria alla base della torre aumenta da 65kV a 245kV, un aumento di 277%.

Anche il valore di picco della corrente transitoria in cima alla torre non è influenzato dalla resistenza di terra, mentre il valore di picco della corrente transitoria alla rete di terra diminuisce all'aumentare della resistenza di terra. Quando la resistenza di terra aumenta da 5Ω a 20Ω, il valore di picco della corrente transitoria alla rete di terra diminuisce da 13,8kA a 8,5kA, una diminuzione di 38.4%. Questo perché l'aumento della resistenza di terra aumenta l'impedenza del circuito di terra, riducendo la corrente iniettata nel terreno.

L'aumento della tensione transitoria alla base della torre e la diminuzione della corrente transitoria sulla rete di terra aumenteranno il rischio di scariche di isolamento della torre a palo e delle apparecchiature collegate. Perciò, ridurre la resistenza di terra è una misura efficace per migliorare le prestazioni di protezione contro i fulmini della torre-palo.

Sulla base dell'analisi di simulazione di cui sopra, le principali conclusioni sulle caratteristiche transitorie elettromagnetiche della torre palo da 500 kV sotto impulso di fulmine a onda intera sono le seguenti:

(1) La posizione del fulmine ha un impatto significativo sulla risposta ai transitori elettromagnetici della torre-palo. Quando un fulmine colpisce il conduttore, la tensione transitoria sulla stringa isolante è la più alta, che si trova nello stato critico di scarica di isolamento; quando il fulmine colpisce la croce, l'intensità del campo elettromagnetico vicino alla traversa è la più alta; quando il fulmine colpisce la cima della torre, la tensione e la corrente transitorie in cima alla torre sono le più alte.

(2) La tensione transitoria della torre-polo diminuisce gradualmente dal punto d'impatto fino alla base della torre, e anche la corrente transitoria diminuisce leggermente. Il campo elettromagnetico transitorio attorno alla torre polare decade esponenzialmente con l'aumentare della distanza, e ha una direttività evidente.

(3) La resistenza di terra ha un impatto significativo sulla risposta ai transitori elettromagnetici della torre-polo. Con l'aumento della resistenza di terra, la tensione transitoria alla base della torre aumenta in modo significativo, e la corrente transitoria sulla rete di terra diminuisce, che aumenta il rischio di scariche di isolamento.

(4) La stringa isolante sopporta la tensione transitoria più elevata quando un fulmine colpisce il conduttore, che è la condizione di lavoro più pericolosa per la stringa isolante. Perciò, nella progettazione della protezione contro i fulmini della torre-palo, particolare attenzione dovrebbe essere prestata alla protezione della stringa isolante quando un fulmine colpisce il conduttore.

Verificare la correttezza del modello di simulazione agli elementi finiti, sulla base del principio di similarità viene costruito un modello sperimentale in scala ridotta della torre-palo da 500 kV. Il principio di similarità richiede che i parametri geometrici, parametri del materiale, e i parametri di carico del modello in scala ridotta sono simili a quelli del prototipo [22]. Il rapporto di scala tra il modello in scala ridotta e il prototipo è impostato su 1:20, che è determinato in base alle dimensioni del laboratorio e alla capacità del generatore di impulsi di fulmine.

I parametri geometrici del modello in scala ridotta sono i seguenti: l'altezza totale del corpo della torre è di 2,25 m, la larghezza della base è 0,4 m, la lunghezza del braccio trasversale è 0,6 m. Il corpo della torre e il braccio trasversale sono realizzati in acciaio angolare Q235 con una sezione trasversale di 5 mm × 5 mm × 0,5 mm. La corda isolante è realizzata in vetro organico con un diametro di 2 mm e una lunghezza di 50 mm. Il conduttore è un filo di rame con un diametro di 1,25 mm. Il dispositivo di messa a terra è una griglia di terra orizzontale lunga 1 m, una larghezza di 1 m, e una profondità di sepoltura di 0,04 m, e il conduttore di terra è un filo di rame con un diametro di 0,6 mm.

In termini di corrispondenza dei parametri del materiale, secondo il principio di somiglianza, la permettività relativa, la permeabilità relativa e la conduttività del materiale dovrebbero rimanere coerenti con il prototipo per garantire la somiglianza delle caratteristiche elettromagnetiche. L'acciaio Q235 utilizzato nel modello in scala ridotta ha una conduttività di 5,0×10⁶ S/m, che è vicino ai 5,8×10⁶ S/m dell’acciaio Q355 nel prototipo, e la differenza rientra nell'intervallo accettabile di errori sperimentali. La permettività relativa del vetro organico è 3.2, che è vicino a 4.0 di plastica rinforzata con fibra di vetro nel prototipo, e può soddisfare i requisiti di simulazione delle prestazioni di isolamento. Il terreno utilizzato nell'esperimento è terroso con una conduttività di 0.01 S/m, che è lo stesso impostato nel modello di simulazione.

Per la corrispondenza dei parametri di carico, l'onda intera dell'impulso del fulmine applicata al modello in scala ridotta dovrebbe soddisfare il rapporto di similarità della tensione. Secondo il rapporto di scala geometrica di 1:20, anche il rapporto di scala della tensione lo è 1:20. Perciò, the peak value of the lightning impulse voltage applied to the reduced-scale model is 1425kV / 20 = 71.25kV, and the waveform parameters are still 1.2/50μs, which is consistent with the standard requirements.

The experimental system mainly consists of a lightning impulse generator, a reduced-scale pole-tower model, a measurement system, and a grounding system, come mostrato in figura 12. The lightning impulse generator is a GS-100kV type, which can generate standard 1.2/50μs lightning impulse full waves with a peak voltage adjustable from 0 to 100kV, meeting the experimental load requirements.

The measurement system includes a high-voltage divider, a current sensor, an electromagnetic field sensor, and a data acquisition system. The high-voltage divider is a capacitive voltage divider with a voltage division ratio of 1000:1, che viene utilizzato per misurare la tensione transitoria di ciascuna parte della torre-polo. Il sensore di corrente è una bobina di Rogowski con un campo di misura di 0-20kA e una larghezza di banda di 10Hz-10MHz, che viene utilizzato per misurare la corrente transitoria del corpo della torre e della rete di terra. Il sensore di campo elettromagnetico è una sonda di campo elettromagnetico a banda larga con un campo di misura di 1 V/m-10⁶ V/m (campo elettrico) e 0,1 A/m-10³ A/m (campo magnetico), che viene utilizzato per misurare il campo elettromagnetico transitorio attorno alla torre polare. Il sistema di acquisizione dati utilizza un oscilloscopio digitale con una frequenza di campionamento di 1GS/s e una profondità di memorizzazione di 10M, che può catturare con precisione la forma d'onda transitoria del segnale misurato.

Il sistema di messa a terra del sistema sperimentale è indipendente dal sistema di messa a terra del laboratorio per evitare interferenze reciproche. La resistenza di terra del sistema di messa a terra sperimentale è regolabile, e quattro valori di resistenza da 0,25 Ω, 0.5OH, 0.75OH, e 1Ω sono impostati in base al rapporto di similarità (coerente con i 5Ω, 10OH, 15OH, e 20Ω nel modello di simulazione). La rete di messa a terra del sistema sperimentale è collegata al dispositivo di messa a terra del modello in scala ridotta per garantire che la corrente del fulmine possa essere iniettata senza problemi nel terreno.

Le fasi sperimentali vengono eseguite in conformità con la IEC 60060-1 norma e i requisiti pertinenti delle prove di protezione contro i fulmini del sistema di alimentazione, e si articolano nelle fasi successive:

(1) Preparazione pre-esperimento: Verificare l'integrità del modello in scala ridotta, garantire che i collegamenti tra il corpo della torre, braccio trasversale, corda isolante, e il conduttore sono affidabili, e verificare che il dispositivo di messa a terra sia in buon contatto con il terreno. Calibrare il sistema di misurazione, compreso il divisore ad alta tensione, sensore di corrente, e sensore di campo elettromagnetico, per garantire l'accuratezza dei dati di misurazione. Regola il generatore di impulsi del fulmine per generare un'onda intera standard da 1,2/50μs con una tensione di picco di 71,25 kV.

(2) Caricamento sperimentale e raccolta dati: Esegui esperimenti in tre posizioni di fulmini (cima della torre, braccio trasversale, conduttore) e quattro valori di resistenza di terra rispettivamente. Per ogni condizione di lavoro, accendere il generatore di impulsi del fulmine per iniettare l'onda intera dell'impulso del fulmine nel punto d'impatto, e utilizzare il sistema di acquisizione dati per raccogliere la tensione transitoria, corrente transitoria, e segnali di campo elettromagnetico transitorio di ciascuna parte della torre-polo. Ogni condizione di lavoro viene ripetuta 5 volte per ridurre l’errore casuale dell’esperimento, e il valore medio del 5 set di dati viene preso come risultato sperimentale finale.

(3) Finitura post-esperimento: Spegnere l'apparecchiatura sperimentale in sequenza, ordinare i dati sperimentali raccolti, ed eliminare i dati non validi con errori evidenti. Pulisci il sito sperimentale e mantieni l'attrezzatura sperimentale in buone condizioni.

Considerando la condizione di funzionamento di un fulmine nella parte superiore della torre e una resistenza di terra di 0,5 Ω (corrispondente a 10Ω nella simulazione) come esempio, i risultati sperimentali e quelli della simulazione vengono confrontati e analizzati. figura 13 mostra il confronto della forma d'onda della tensione transitoria al centro del corpo della torre tra l'esperimento e la simulazione. Dalla figura si può vedere che la forma d'onda sperimentale e la forma d'onda simulata hanno lo stesso andamento di variazione: entrambi aumentano rapidamente fino al valore di picco a circa 1,2μs, per poi decadere gradualmente. Il valore di picco della tensione transitoria ottenuta dall'esperimento è 39,3 kV, e il valore di picco ottenuto dalla simulazione è 41,2 kV. L'errore relativo è 4.6%, che è inferiore a 8%.

figura 14 mostra il confronto della forma d'onda della corrente transitoria sulla rete di terra tra l'esperimento e la simulazione. Anche la forma d'onda sperimentale e la forma d'onda di simulazione hanno una buona coerenza. Il tempo di picco della corrente sperimentale è di circa 1,5μs, e anche il tempo di picco della corrente di simulazione è di circa 1,5μs. Il valore di picco della corrente sperimentale è 0,57 kA, e il valore di picco della corrente di simulazione è 0,59 kA. L'errore relativo è 3.4%, che rientra nell'intervallo accettabile.

figura 15 mostra il confronto dell'intensità del campo elettrico a 5m dal corpo della torre tra l'esperimento e la simulazione. Il picco di intensità del campo elettrico sperimentale è 6,1×10³ V/m, e il picco di intensità del campo elettrico simulato è 6,4×10³ V/m. L'errore relativo è 4.7%, che è anche inferiore a 8%. Anche l'intensità del campo magnetico nella stessa posizione ha una buona consistenza, con un errore relativo di 5.2%.

tavolo 3 mostra il confronto dei valori di picco della tensione transitoria, corrente transitoria, e intensità del campo elettrico in diverse condizioni di lavoro. Dalla tabella si può vedere che gli errori relativi tra i risultati sperimentali e quelli della simulazione in tutte le condizioni di lavoro sono inferiori a 8%, il che indica che il modello di simulazione agli elementi finiti stabilito in questo documento ha un'elevata precisione e affidabilità, e può simulare accuratamente il processo transitorio elettromagnetico della torre polare da 500 kV sotto l'onda intera dell'impulso del fulmine.

Condizioni di lavoro	Tipo di parametro	Valore sperimentale	Valore di simulazione	Errore relativo (%)
Colpo di fulmine in alto, R=0,5Ω	Torre media tensione (kV)	39.3	41.2	4.6
Colpo di fulmine in alto, R=0,5Ω	Corrente della rete di terra (IL)	0.57	0.59	3.4
Braccio trasversale con fulmine, R=0,5Ω	Tensione del braccio trasversale (kV)	71.3	74.5	4.3
Conduttore di fulmini, R=0,5Ω	Tensione della stringa isolante (kV)	71.2	76.8	7.7
Colpo di fulmine in alto, R=1Ω	5campo elettrico m (×10³ V/m)	3.2	3.4	5.9

Le ragioni principali del piccolo errore tra i risultati sperimentali e i risultati della simulazione sono: (1) La semplificazione del modello di simulazione, come ignorare i collegamenti a bullone e i piccoli componenti, porta a lievi differenze tra il modello di simulazione e la struttura reale; (2) I fattori ambientali nell'esperimento, come l'umidità e la temperatura dell'aria, hanno un piccolo impatto sulla distribuzione del campo elettromagnetico; (3) L'errore di misura dell'apparecchiatura sperimentale stessa. però, questi errori rientrano nell'intervallo accettabile della ricerca ingegneristica e accademica, che verifica pienamente la razionalità e la correttezza del modello di simulazione.

in questo documento, viene effettuato uno studio completo sulle caratteristiche transitorie elettromagnetiche dei torri polari della linea di trasmissione da 500 kV sotto impulso di fulmine a onda intera combinando l'analisi teorica, simulazione degli elementi finiti, e verifica sperimentale. Le principali conclusioni della ricerca sono le seguenti:

(1) Viene costruito il sistema teorico delle caratteristiche transitorie elettromagnetiche delle torri polari da 500 kV sotto l'impulso di un fulmine. L'onda intera standard dell'impulso del fulmine (1.2/50μs) segue la doppia distribuzione esponenziale della funzione, e il processo transitorio elettromagnetico della torre polare è governato dalle equazioni di Maxwell. La risposta transitoria della torre-polo è il risultato dell'azione complessiva della distribuzione di tensione e corrente, accoppiamento del campo elettromagnetico, risposta di isolamento, e meccanismi di risposta di messa a terra.

(2) Viene creato un modello di simulazione tridimensionale agli elementi finiti ad alta precisione di una torre a palo in acciaio con angolo di 500 kV. Il modello considera le caratteristiche geometriche del corpo della torre, braccio trasversale, corda isolante, e dispositivo di messa a terra, e imposta accuratamente i parametri del materiale e le condizioni al contorno. I risultati della simulazione mostrano che il modello può catturare efficacemente il processo transitorio elettromagnetico della torre polare sotto l’impulso del fulmine.

(3) La posizione del fulmine e la resistenza di terra sono i fattori chiave che influenzano la risposta ai transitori elettromagnetici della torre-palo. Quando un fulmine colpisce il conduttore, la stringa isolante sopporta la tensione transitoria più alta (1425kV), che si trova nello stato critico di flashover; quando il fulmine colpisce la croce, l'intensità del campo elettromagnetico vicino alla traversa è la più alta (6.2×10⁵ V/min); quando il fulmine colpisce la cima della torre, la tensione e la corrente transitorie in cima alla torre sono le più alte. Con l'aumento della resistenza di terra da 5Ω a 20Ω, la tensione transitoria alla base della torre aumenta di 277%, e la corrente transitoria sulla rete di terra diminuisce di 38.4%, che aumenta significativamente il rischio di scariche di isolamento.

(4) Il campo elettromagnetico transitorio attorno alla torre polare ha evidenti caratteristiche di distribuzione spaziale. Essa decade esponenzialmente con l'aumentare della distanza dal corpo della torre, e ha una direttività significativa. L'intensità del campo elettromagnetico nella direzione del fulmine è massima alla stessa distanza.

(5) I risultati della verifica sperimentale mostrano che l'errore relativo tra i risultati sperimentali e quelli della simulazione è inferiore a 8%, che conferma l’affidabilità e l’accuratezza del modello di simulazione. I risultati della ricerca forniscono una base teorica e tecnica affidabile per la progettazione della protezione contro i fulmini delle torri-polo delle linee di trasmissione da 500 kV.

Sulla base dei risultati della ricerca, vengono proposti i seguenti suggerimenti di ottimizzazione per la progettazione della protezione contro i fulmini delle torri-polo delle linee di trasmissione da 500 kV:

(1) Rafforzare la protezione delle stringhe isolanti in condizioni di fulmini sui conduttori. Si consiglia di installare scaricatori ad ossido di metallo sulle stringhe isolanti delle linee di trasmissione a torre-palo da 500 kV, soprattutto nelle zone soggette a fulmini. Lo scaricatore può limitare la sovratensione transitoria sulla stringa isolante, evitare scariche di isolamento, e proteggere la stringa e il conduttore isolante.

(2) Ridurre la resistenza di terra della torre-palo. Adottare misure come l'ampliamento della rete di terra, posa di elettrodi di messa a terra orizzontali e verticali, e utilizzare agenti di riduzione della resistenza di terra per ridurre la resistenza di terra della torre polare a meno di 5 Ω. Ciò può ridurre efficacemente la tensione transitoria nella parte inferiore della torre, aumentare la corrente transitoria iniettata nel terreno, e migliorare le prestazioni di protezione contro i fulmini della torre polare.

(3) Ottimizzare la struttura della torre-palo. Per le parti superiori della traversa e della torre soggette a un'elevata intensità di campo elettromagnetico, aumentare opportunamente l'area della sezione trasversale dell'acciaio angolare o utilizzare tubi di acciaio con una migliore conduttività per ridurre l'impedenza d'onda del corpo della torre, riducendo così la tensione transitoria e la distribuzione della corrente. Allo stesso tempo, progettare ragionevolmente la spaziatura tra la traversa e il conduttore per aumentare la distanza di isolamento.

(4) Rafforzare il monitoraggio della protezione contro i fulmini delle linee di trasmissione. Installa dispositivi di monitoraggio dei fulmini sui principali tralicci della linea di trasmissione da 500 kV per monitorare in tempo reale i parametri dei fulmini (come il picco della corrente del fulmine, forma d'onda, posizione di sciopero) e la risposta transitoria della torre-polo. Ciò può fornire supporto dati per l'ottimizzazione della progettazione della protezione contro i fulmini e la manutenzione delle linee di trasmissione.

Sebbene questo articolo abbia condotto una ricerca approfondita sulle caratteristiche transitorie elettromagnetiche delle torri polari da 500 kV sotto impulso di fulmine a onda intera, ci sono ancora alcuni aspetti che dovranno essere ulteriormente approfonditi in futuro:

(1) Ricerca sulle caratteristiche transitorie elettromagnetiche sotto forme d'onda di impulsi di fulmine non standard. I fulmini naturali includono i fronti ripidi, coda lunga, e impulsi di fulmini a corsa multipla. La ricerca futura dovrebbe concentrarsi sulla risposta ai transitori elettromagnetici delle torri polari sotto queste forme d’onda non standard, e valutare in modo completo le prestazioni di protezione contro i fulmini delle torri polari.

(2) Ricerche sull'influenza di fattori ambientali complessi. La ricerca attuale non considera l’influenza di fattori ambientali come la pioggia, la neve, e vento sulle caratteristiche transitorie elettromagnetiche della torre-polo. La ricerca futura dovrebbe stabilire un modello di simulazione che consideri fattori ambientali complessi, e analizzare l'influenza di questi fattori sulla risposta transitoria della torre-polo.

(3) Ricerca sull'accoppiamento transitorio elettromagnetico tra torri polari ed apparecchiature adiacenti. La torre-palo della linea di trasmissione da 500 kV è adiacente ad apparecchiature quali torri di comunicazione e armadi di distribuzione dell'energia. Il campo elettromagnetico transitorio generato dai fulmini può avere effetti di accoppiamento su queste apparecchiature adiacenti. La ricerca futura dovrebbe studiare l'interferenza elettromagnetica tra le torri polari e le apparecchiature adiacenti, e proporre corrispondenti misure anti-interferenza.

(4) Sviluppo di una tecnologia di protezione contro i fulmini intelligente per torri polari. Combinare tecnologie emergenti come l'intelligenza artificiale e i big data per creare un sistema di protezione contro i fulmini intelligente per le torri-palo della linea di trasmissione da 500 kV. Il sistema può prevedere i fulmini, adeguare le misure di protezione contro i fulmini in tempo reale, e migliorare la capacità di protezione attiva dai fulmini del sistema di alimentazione.