abstrak: Sebagai komponen teras talian penghantaran voltan tinggi 500kV, menara tiang menanggung dwi fungsi konduktor sokongan dan pembumian. Sambaran petir adalah salah satu ancaman utama kepada operasi talian penghantaran yang selamat dan stabil, dan tindak balas sementara elektromagnet menara tiang di bawah gelombang penuh impuls kilat secara langsung mempengaruhi penyelarasan penebat dan reka bentuk perlindungan kilat seluruh sistem kuasa. Dalam kertas ini, kajian menyeluruh tentang ciri-ciri sementara elektromagnet bagi menara tiang talian penghantaran 500kV di bawah gelombang penuh impuls kilat dijalankan dengan menggabungkan analisis teori, simulasi unsur terhingga, dan ujian eksperimen. pertama, asas teori bagi transien elektromagnet di bawah impuls kilat dihuraikan, termasuk ciri-ciri gelombang penuh impuls kilat, undang-undang pengagihan medan elektromagnet, dan mekanisme tindak balas sementara bagi struktur menara tiang. Kemudian, model unsur terhingga tiga dimensi sudut 500kV tiang keluli-menara ditubuhkan menggunakan perisian ANSYS Maxwell, dan gelombang penuh impuls kilat (1.2/50μs) digunakan untuk mensimulasikan proses sementara elektromagnet menara tiang. Ciri-ciri pengagihan voltan sementara, arus sementara, dan medan elektromagnet sementara menara tiang di bawah kedudukan kilat yang berbeza (puncak menara, lengan silang, dan konduktor) dan nilai rintangan pembumian yang berbeza dianalisis. Menara Radar Telekom Telekom Keluli Sokongan Sendiri, model percubaan berskala kecil menara tiang dibina berdasarkan prinsip persamaan, dan ujian gelombang penuh impuls kilat dijalankan untuk mengesahkan ketepatan keputusan simulasi. Keputusan menunjukkan bahawa: (1) Kedudukan sambaran petir mempunyai kesan yang ketara ke atas tindak balas sementara elektromagnet menara tiang. Voltan dan arus sementara di bahagian atas menara adalah yang terbesar apabila kilat menyambar bahagian atas menara, dan keamatan medan elektromagnet berhampiran lengan silang adalah paling tinggi apabila kilat menyambar lengan silang. (2) Dengan peningkatan rintangan pembumian, voltan sementara pada setiap bahagian menara tiang meningkat dengan ketara, dan kadar pengecilan arus sementara berkurangan, yang meningkatkan risiko kilatan penebat. (3) Medan elektromagnet sementara di sekeliling menara tiang mereput secara eksponen dengan peningkatan jarak, dan keamatan medan elektromagnet pada jarak yang sama adalah yang terbesar dalam arah panahan kilat. (4) Keputusan simulasi adalah sesuai dengan keputusan eksperimen, dengan ralat kurang daripada 8%, yang mengesahkan kebolehpercayaan model unsur terhingga yang telah ditetapkan. Kajian ini menyediakan asas teori dan sokongan teknikal untuk pengoptimuman reka bentuk perlindungan kilat, Penyelarasan Penebat, dan operasi selamat bagi menara tiang talian penghantaran 500kV.

kata kunci: 500talian penghantaran kV; menara tiang; gelombang penuh impuls kilat; sementara elektromagnet; simulasi unsur terhingga; pengesahan percubaan

Dengan perkembangan pesat industri kuasa, 500talian penghantaran voltan tinggi kV telah menjadi bahagian penting dalam grid kuasa negara, menjalankan tugas penting penghantaran kuasa jarak jauh dan berkapasiti besar. Operasi yang selamat dan stabil bagi talian penghantaran 500kV secara langsung berkaitan dengan kebolehpercayaan keseluruhan sistem kuasa dan operasi normal pengeluaran dan kehidupan sosial. Walau bagaimanapun, sambaran petir adalah salah satu bencana alam yang paling penting yang mengancam operasi selamat talian penghantaran. Mengikut statistik, kesalahan disebabkan kilat menyumbang lebih daripada 40% daripada jumlah kerosakan talian penghantaran voltan tinggi, dan di beberapa kawasan yang terdedah kepada kilat, perkadaran ini malah boleh mencapai lebih daripada 60% [1]. Apabila sambaran petir berlaku pada talian penghantaran atau menara tiang, gelombang penuh impuls kilat yang kuat akan dihasilkan, yang akan mendorong fenomena sementara elektromagnet kompleks dalam struktur menara tiang. Fenomena sementara ini akan menyebabkan lebihan voltan dan lebihan arus di menara tiang dan peralatan yang dipasang padanya., yang boleh membawa kepada kilatan penebat, kerosakan peralatan, dan juga gangguan bekalan elektrik, mengakibatkan kerugian ekonomi yang besar dan impak sosial [2-3].

Sebagai komponen sokongan dan pembumian utama bagi talian penghantaran, tindak balas sementara elektromagnet menara tiang di bawah gelombang penuh impuls kilat adalah isu teras reka bentuk perlindungan kilat bagi talian penghantaran. Tiang-menara biasanya diperbuat daripada keluli sudut, paip keluli, atau konkrit, dan strukturnya adalah kompleks, melibatkan pelbagai komponen seperti badan menara, lengan silang, rentetan penebat, dan peranti pembumian. Apabila kilat menyambar, proses sementara elektromagnet menara tiang dipengaruhi oleh banyak faktor, seperti kedudukan sambaran petir, parameter arus kilat, rintangan asas, dan struktur menara tiang [4]. kebakaran, kajian mendalam tentang ciri-ciri sementara elektromagnet bagi menara tiang 500kV di bawah gelombang penuh impuls kilat, menguasai hukum taburan voltan sementara, semasa, dan medan elektromagnet, dan menjelaskan pengaruh pelbagai faktor terhadap tindak balas sementara adalah sangat penting untuk mengoptimumkan reka bentuk perlindungan kilat menara tiang, meningkatkan tahap penyelarasan penebat sistem kuasa, dan memastikan operasi yang selamat dan stabil bagi talian penghantaran 500kV.

Beberapa tahun kebelakangan ini, dengan peningkatan berterusan teknologi simulasi komputer dan teknologi ujian eksperimen, penyelidikan mengenai ciri-ciri sementara elektromagnet peralatan kuasa di bawah impuls kilat telah mencapai kemajuan yang besar. Walau bagaimanapun, disebabkan oleh struktur kompleks menara tiang 500kV dan rawak kilat yang kuat, masih terdapat banyak masalah yang perlu diselesaikan dalam penyelidikan mengenai ciri-ciri sementara elektromagnet menara tiang.: (1) Penyelidikan sedia ada kebanyakannya tertumpu kepada prestasi perlindungan kilat bagi keseluruhan talian penghantaran, dan penyelidikan mengenai tindak balas sementara elektromagnet menara tiang itu sendiri tidak cukup mendalam; (2) Pengaruh kedudukan kilat yang berbeza dan nilai rintangan pembumian pada ciri-ciri sementara elektromagnet menara tiang belum dikaji secara sistematik; (3) Ketepatan model simulasi perlu disahkan oleh data eksperimen yang lebih dipercayai. kebakaran, adalah perlu untuk menjalankan kajian yang komprehensif dan mendalam mengenai ciri-ciri sementara elektromagnet bagi menara tiang talian penghantaran 500kV di bawah gelombang penuh impuls kilat.

Sarjana asing telah menjalankan banyak penyelidikan mengenai perlindungan kilat talian penghantaran dan ciri-ciri sementara elektromagnet menara tiang sebelum ini. Pada tahun 1970-an, sarjana seperti Wagner mula-mula mencadangkan teori gelombang perjalanan bagi voltan lampau kilat, yang meletakkan asas teori untuk kajian transien elektromagnet menara tiang [5]. Dengan perkembangan teknologi komputer, kaedah simulasi unsur terhingga telah digunakan secara meluas dalam kajian transien elektromagnet menara tiang.. Sebagai contoh, D’Alessandro et al. mewujudkan model elemen terhingga dua dimensi bagi menara tiang talian penghantaran menggunakan perisian COMSOL Multiphysics, mensimulasikan proses sementara elektromagnet di bawah impuls kilat, dan menganalisis undang-undang taburan voltan dan arus sementara [6]. Petrache et al. mengkaji pengaruh parameter arus kilat ke atas tindak balas sementara elektromagnet menara tiang melalui simulasi dan eksperimen, dan mencadangkan satu skim pengoptimuman untuk reka bentuk perlindungan kilat menara tiang [7]. Sebagai tambahan, sarjana asing juga telah menjalankan banyak penyelidikan tentang prestasi pembumian menara tiang di bawah impuls kilat, dan mengkaji pengaruh rintangan pembumian dan struktur grid pembumian ke atas tindak balas sementara [8-9].

Penyelidikan domestik mengenai ciri sementara elektromagnet bagi menara tiang talian penghantaran 500kV di bawah impuls kilat telah berkembang pesat dalam beberapa tahun kebelakangan ini. Banyak universiti dan institusi penyelidikan telah menjalankan penyelidikan yang mendalam dalam bidang ini. Sebagai contoh, Wang et al. menubuhkan model elemen terhingga tiga dimensi bagi menara tiang keluli sudut 500kV menggunakan perisian ANSYS, mensimulasikan proses sementara impuls kilat, dan menganalisis taburan medan elektromagnet sementara di sekeliling menara tiang [10]. Li et al. membina model eksperimen berskala kecil bagi menara tiang, menjalankan ujian gelombang penuh impuls kilat, dan mengkaji ciri tindak balas voltan sementara menara tiang di bawah kedudukan kilat yang berbeza [11]. Zhang et al.. mengkaji pengaruh rintangan pembumian pada tindak balas sementara elektromagnet 500kV menara tiang melalui simulasi dan eksperimen, dan mencadangkan kaedah untuk mengurangkan rintangan pembumian untuk meningkatkan prestasi perlindungan kilat [12]. Walau bagaimanapun, masih terdapat beberapa kekurangan dalam penyelidikan domestik yang sedia ada: (1) Model simulasi tidak cukup terperinci, dan pengaruh beberapa struktur halus menara tiang (seperti sambungan antara keluli sudut dan tali penebat) pada tindak balas sementara tidak dipertimbangkan; (2) Sistematik penyelidikan eksperimen tidak kukuh, dan pengesahan model simulasi tidak menyeluruh; (3) Penyelidikan mengenai mekanisme gandingan sementara elektromagnet antara menara tiang dan konduktor tidak cukup mendalam.

Objektif utama kertas kerja ini ialah: (1) Untuk menghuraikan asas teori ciri sementara elektromagnet bagi menara tiang talian penghantaran 500kV di bawah gelombang penuh impuls kilat, termasuk ciri-ciri gelombang penuh impuls kilat, undang-undang pengagihan medan elektromagnet, dan mekanisme tindak balas sementara; (2) Untuk mewujudkan model elemen terhingga tiga dimensi berketepatan tinggi bagi menara tiang keluli sudut 500kV, dan simulasi proses sementara elektromagnet di bawah gelombang penuh impuls kilat; (3) Untuk menganalisis ciri taburan voltan sementara, arus sementara, dan medan elektromagnet sementara menara tiang di bawah faktor pengaruh yang berbeza (kedudukan sambaran petir, rintangan asas); (4) Untuk membina model eksperimen skala kecil menara tiang, menjalankan ujian gelombang penuh impuls kilat, dan mengesahkan ketepatan model simulasi; (5) Untuk mengemukakan cadangan pengoptimuman untuk reka bentuk perlindungan kilat bagi menara tiang talian penghantaran 500kV berdasarkan hasil penyelidikan.

Skop kajian kertas ini merangkumi: (1) Menara tiang keluli sudut 500kV yang biasa digunakan dalam kejuruteraan; (2) Gelombang penuh impuls kilat dengan parameter 1.2/50μs (masa hadapan/masa separuh puncak) yang selaras dengan piawaian IEC; (3) Tiga kedudukan sambaran kilat biasa: puncak menara, lengan silang, dan konduktor; (4) Empat nilai rintangan pembumian biasa: 5Oh, 10Oh, 15Oh, dan 20Ω; (5) Ciri-ciri sementara elektromagnet menara tiang, termasuk voltan sementara, arus sementara, dan taburan medan elektromagnet sementara.

Kertas kerja ini dibahagikan kepada enam bab. Bab 1 ialah pengenalan, yang menghuraikan latar belakang dan kepentingan penyelidikan, meringkaskan status penyelidikan di dalam dan luar negara, menjelaskan objektif dan skop penyelidikan, dan memperkenalkan struktur tesis. Bab 2 memperkenalkan asas teori bagi transien elektromagnet di bawah impuls kilat, termasuk ciri-ciri gelombang penuh impuls kilat, teori asas transien elektromagnet, dan mekanisme tindak balas sementara bagi struktur menara tiang. Bab 3 menerangkan penubuhan model simulasi unsur terhingga menara tiang 500kV, termasuk penyederhanaan model, parameter bahan, syarat sempadan, dan memuatkan gelombang penuh impuls kilat. Bab 4 menganalisis hasil simulasi ciri sementara elektromagnet menara tiang di bawah faktor pengaruh yang berbeza. Bab 5 memperkenalkan reka bentuk dan pelaksanaan model eksperimen skala terkecil, dan mengesahkan keputusan simulasi melalui ujian eksperimen. Bab 6 adalah kesimpulan dan prospek, yang meringkaskan hasil penyelidikan utama, mengemukakan cadangan pengoptimuman untuk reka bentuk perlindungan kilat menara tiang 500kV, dan menantikan hala tuju penyelidikan masa hadapan.

Impuls kilat ialah sejenis voltan lampau sementara dengan tempoh pendek dan amplitud tinggi. Gelombang penuh impuls kilat biasanya ditakrifkan oleh dua parameter: masa hadapan (T1) dan waktu separuh puncak (T2). Menurut IEC 60060-1 standard, gelombang penuh impuls kilat standard mempunyai masa hadapan 1.2μs (toleransi ±30%) dan masa separuh puncak 50μs (toleransi ±20%), yang direkodkan sebagai 1.2/50μs [13]. Bentuk gelombang gelombang penuh impuls kilat standard ditunjukkan dalam Rajah 1.

Ungkapan matematik gelombang penuh impuls kilat standard boleh diterangkan oleh fungsi eksponen berganda [14]:

di mana: \( U_m \) ialah nilai puncak voltan impuls kilat; \( \tau_1 \) ialah pemalar masa hadapan, yang menentukan kecuraman hadapan ombak; \( \tau_2 \) ialah pemalar masa ekor, yang menentukan tempoh ekor gelombang; \( t \) adalah masanya.

Nilai puncak voltan impuls kilat yang dihasilkan oleh kilat semulajadi boleh mencapai ratusan kilovolt hingga jutaan kilovolt, dan nilai puncak arus kilat boleh mencecah puluhan kiloampere hingga ratusan kiloampere. Untuk talian penghantaran 500kV, paras voltan impuls kilat biasanya 1425kV, yang ditentukan mengikut keperluan penyelarasan penebat sistem kuasa [15]. Apabila sambaran petir berlaku, gelombang penuh impuls kilat akan disuntik ke dalam menara tiang melalui titik mogok, dan kemudian merebak di sepanjang badan menara ke tanah, mendorong fenomena sementara elektromagnet yang kompleks.

Sebagai tambahan kepada gelombang penuh standard 1.2/50μs, terdapat juga impuls kilat hadapan curam dan impuls kilat ekor panjang secara semula jadi. Impuls kilat hadapan yang curam mempunyai masa hadapan yang lebih pendek (kurang daripada 1μs) dan kecuraman hadapan ombak yang lebih tinggi, yang mempunyai kesan yang lebih besar pada penebat menara tiang. Impuls kilat ekor panjang mempunyai masa separuh puncak yang lebih panjang (lebih daripada 50μs), yang boleh menyebabkan kerosakan kumulatif pada peralatan. Walau bagaimanapun, gelombang penuh impuls kilat 1.2/50μs standard adalah yang paling mewakili, jadi kertas ini memfokuskan kepada ciri-ciri sementara elektromagnet menara-tiang di bawah bentuk gelombang ini.

Proses sementara elektromagnet menara tiang di bawah impuls kilat adalah masalah gandingan medan elektromagnet yang kompleks, yang mengikuti persamaan Maxwell [16]. Persamaan Maxwell ialah persamaan asas yang menerangkan medan elektromagnet, termasuk undang-undang Gauss untuk elektrik, Hukum Gauss untuk kemagnetan, Hukum aruhan elektromagnet Faraday, dan undang-undang Ampère-Maxwell. Bentuk pembezaan persamaan Maxwell adalah seperti berikut:

di mana: \( \vec{D} \) ialah vektor sesaran elektrik; \( \rho_v \) ialah ketumpatan cas isipadu; \( \vec{B} \) ialah keamatan aruhan magnetik; \( \vec{E} \) ialah keamatan medan elektrik; \( \vec{H} \) ialah keamatan medan magnet; \( \vec{J} \) ialah ketumpatan arus; \( t \) adalah masanya.

Dalam analisis sementara elektromagnet menara tiang, struktur menara tiang biasanya dianggap sebagai konduktor, dan medium sekeliling adalah udara. Hubungan konstitutif konduktor dan udara adalah seperti berikut:

di mana: \( \varepsilon \) ialah kebolehgunaan; \( \dalam \) ialah kebolehtelapan; \( \sigma \) ialah kekonduksian.

Apabila gelombang penuh impuls kilat disuntik ke dalam menara tiang, arus yang berubah-ubah masa akan dijana dalam badan menara, yang akan merangsang medan elektromagnet yang berubah-ubah masa di sekeliling menara tiang. Medan elektromagnet yang berubah-ubah masa akan mendorong arus pusar dalam konduktor menara tiang, dan akan ada gandingan elektromagnet antara badan menara, lengan silang, rentetan penebat, dan konduktor. Tindak balas sementara elektromagnet menara tiang adalah hasil daripada interaksi antara impuls kilat yang disuntik., medan elektromagnet, dan struktur menara tiang.

Struktur menara tiang ialah struktur kekuda spatial yang kompleks yang terdiri daripada keluli sudut berbilang yang disambungkan oleh bolt. Apabila kilat menyambar menara tiang, mekanisme tindak balas sementara menara tiang terutamanya merangkumi aspek berikut:

(1) Mekanisme pengagihan voltan dan arus: Voltan impuls kilat yang disuntik dari titik mogok akan diedarkan di sepanjang badan menara. Disebabkan oleh kemuatan teragih dan kearuhan badan menara, voltan dan arus akan mempunyai kesan gelombang perjalanan semasa proses perambatan. Galangan gelombang badan menara adalah parameter penting yang mempengaruhi taburan voltan dan arus. Galangan gelombang menara tiang keluli sudut biasanya antara 100Ω dan 300Ω, yang berkaitan dengan luas keratan rentas badan menara, jarak antara keluli sudut, dan ketinggian menara [17].

(2) Mekanisme gandingan medan elektromagnet: Arus yang berubah-ubah masa dalam badan menara akan menghasilkan medan elektromagnet yang berubah-ubah masa di sekeliling menara tiang.. Medan elektromagnet akan mendorong voltan dan arus dalam konduktor dan komponen logam bersebelahan, yang merupakan kesan aruhan elektromagnet. Pada masa yang sama, medan elektromagnet juga akan berinteraksi dengan peranti pembumian menara tiang, menjejaskan arus pembumian dan voltan pembumian [18].

(3) Mekanisme tindak balas penebat: Tali penebat antara menara tiang dan konduktor adalah komponen penebat yang penting. Di bawah tindakan overvoltage impuls kilat, rentetan penebat akan menanggung voltan sementara yang tinggi. Jika voltan sementara melebihi kekuatan penebat tali penebat, flashover penebat akan berlaku, membawa kepada litar pintas antara konduktor dan menara tiang [19].

(4) Mekanisme tindak balas pembumian: Peranti pembumian menara tiang digunakan untuk memandu arus kilat ke dalam tanah dan mengurangkan voltan pembumian. Di bawah tindakan impuls kilat, rintangan pembumian peranti pembumian akan menunjukkan ciri-ciri sementara. Disebabkan oleh kesan kulit dan pengionan tanah, rintangan pembumian sementara biasanya lebih kecil daripada rintangan pembumian keadaan mantap, tetapi undang-undang perubahan adalah kompleks [20]. Tindak balas pembumian secara langsung mempengaruhi kadar pengecilan arus kilat dan pengagihan voltan sementara pada menara tiang.

Secara ringkasnya, tindak balas sementara elektromagnet menara tiang di bawah impuls kilat adalah hasil menyeluruh daripada pelbagai mekanisme seperti pengagihan voltan dan arus, gandingan medan elektromagnet, tindak balas penebat, dan tindak balas asas. Untuk menganalisis dengan tepat ciri-ciri sementara elektromagnet menara tiang, adalah perlu untuk mempertimbangkan secara menyeluruh mekanisme ini dan mewujudkan model matematik dan model simulasi yang munasabah.

Menara tiang keluli sudut 500kV yang dikaji dalam kertas ini ialah menara jenis 猫头 tipikal, dengan jumlah ketinggian 45m, lebar tapak 8m, dan panjang lengan silang 12m. Badan menara terdiri daripada keluli sudut Q355, dengan saiz keratan rentas yang berbeza pada ketinggian yang berbeza. Lengan silang juga terdiri daripada keluli sudut Q355, dan tali penebat diperbuat daripada plastik bertetulang gentian kaca. Oleh kerana struktur kompleks menara tiang, adalah perlu untuk memudahkan model semasa proses pemodelan elemen terhingga untuk meningkatkan kecekapan pengiraan pada premis memastikan ketepatan pengiraan.

Langkah-langkah pemudahan utama adalah seperti berikut: (1) Abaikan sambungan bolt antara keluli sudut, dan menganggap bahawa sambungan adalah tegar; (2) Permudahkan rentetan penebat sebagai penebat silinder dengan diameter dan panjang yang setara; (3) Abaikan komponen kecil seperti plat kaki menara dan pengapit kabel, yang mempunyai sedikit kesan ke atas tindak balas sementara elektromagnet; (4) Peranti pembumian dipermudahkan sebagai grid pembumian mendatar dengan panjang 20m, lebar 20m, dan kedalaman pengebumian 0.8m, dan konduktor pembumian ialah keluli bulat dengan diameter 12mm.

Berdasarkan langkah-langkah pemudahan di atas, model geometri tiga dimensi menara tiang 500kV diwujudkan menggunakan perisian ANSYS DesignModeler. Model geometri termasuk badan menara, lengan silang, rentetan penebat, konduktor, dan peranti pembumian. Konduktor ialah konduktor penghantaran AC 500kV dengan diameter 25mm. Model ditunjukkan dalam Rajah 2.

Bahan utama yang terlibat dalam model menara tiang termasuk keluli Q355 (badan menara, lengan silang, konduktor pembumian), plastik bertetulang gentian kaca (rentetan penebat), udara (medium sekeliling), dan tanah (medium pembumian). Parameter bahan ditunjukkan dalam Jadual 1.

bahan	Kekonduksian σ (S/m)	Keizinan ε (F/m)	Kebolehtelapan μ (H/m)	Ketumpatan ρ (kg/m³)
Q355 Steel	5.8×10⁶	8.85×10⁻¹²	4π×10⁻⁷	7850
Plastik bertetulang gentian 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 diingatkan bahawa kekonduksian tanah dipengaruhi oleh faktor-faktor seperti jenis tanah, kandungan lembapan, dan suhu. Dalam kertas ini, kekonduksian tanah diambil sebagai 0.01 S/m, iaitu nilai purata tanah loam yang biasa digunakan dalam kejuruteraan [21]. Ketelusan bagi plastik bertetulang gentian kaca ialah 4 kali ganda daripada udara, yang ditentukan mengikut parameter bahan yang disediakan oleh pengilang.

Penjanaan mesh ialah langkah utama dalam simulasi unsur terhingga, yang secara langsung mempengaruhi ketepatan pengiraan dan kecekapan pengiraan. Penjanaan jaringan model menara tiang dijalankan menggunakan perisian ANSYS Meshing. Memandangkan struktur kompleks menara tiang dan keperluan ketepatan pengiraan yang tinggi untuk medan elektromagnet berhampiran badan menara, strategi penjanaan mesh berikut diguna pakai:

(1) Gunakan jaringan tetrahedral untuk badan menara, lengan silang, rentetan penebat, konduktor, dan peranti pembumian, yang boleh menyesuaikan diri dengan bentuk geometri yang kompleks; (2) Gunakan mesh hexahedral untuk kawasan udara dan tanah, yang mempunyai ketepatan dan kecekapan pengiraan yang lebih tinggi; (3) Menjalankan penghalusan mesh untuk kawasan dengan kecerunan medan elektromagnet yang besar, seperti titik sambaran petir, sambungan antara badan menara dan lengan silang, dan grid pembumian; (4) Kawal saiz mesh maksimum: saiz jaringan maksimum badan menara dan lengan silang ialah 0.5m, saiz mesh maksimum tali penebat dan konduktor ialah 0.2m, saiz jaringan maksimum grid pembumian ialah 0.3m, dan saiz jaringan maksimum kawasan udara dan tanah ialah 2m.

Selepas penjanaan mesh, jumlah bilangan elemen jejaring model ialah 1,256,800, dan jumlah bilangan nod ialah 2,345,600. Kualiti mesh diperiksa, dan nisbah aspek purata ialah 1.8, yang memenuhi keperluan pengiraan unsur terhingga.

3.4.1 Syarat sempadan

Keadaan sempadan model simulasi ditetapkan seperti berikut: (1) Sempadan medan jauh ditetapkan untuk kawasan udara. Sempadan medan jauh ialah sempadan bukan reflektif, yang boleh mensimulasikan lanjutan tak terhingga udara dan mengelakkan pantulan gelombang elektromagnet di sempadan, menjejaskan keputusan simulasi; (2) Sempadan tanah ditetapkan untuk kawasan tanah. Sempadan tanah ditetapkan sebagai sempadan konduktor yang sempurna, dengan mengandaikan bahawa tanah itu dalam tidak terhingga, dan gelombang elektromagnet diserap sepenuhnya oleh tanah; (3) Sempadan simetri tidak ditetapkan, kerana sambaran petir adalah beban yang tidak simetri, dan tindak balas sementara elektromagnet menara tiang juga tidak simetri.

3.4.2 Memuatkan Tetapan

Gelombang penuh impuls kilat dimuatkan sebagai sumber voltan pada titik mogok. Mengikut skop kajian kertas kerja ini, tiga kedudukan sambaran kilat biasa dipilih: (1) Bahagian atas menara: punca voltan dimuatkan pada nod atas badan menara; (2) lengan silang: punca voltan dimuatkan pada nod hujung lengan silang; (3) konduktor: punca voltan dimuatkan pada nod tengah konduktor.

Parameter gelombang penuh impuls kilat ditetapkan mengikut IEC 60060-1 standard: masa hadapan 1.2μs, masa separuh puncak 50μs, dan voltan puncak 1425kV (paras voltan impuls kilat bagi talian penghantaran 500kV). Bentuk gelombang voltan dijana menggunakan fungsi eksponen berganda dalam perisian ANSYS Maxwell, dan langkah masa ditetapkan kepada 0.01μs untuk memastikan proses sementara ditangkap dengan tepat. Masa simulasi ditetapkan kepada 200μs, yang meliputi keseluruhan proses impuls kilat gelombang penuh daripada kenaikan kepada pereputan.

Sebagai tambahan, rintangan pembumian disimulasikan dengan menambah sempadan rintangan pada grid pembumian. Empat nilai rintangan pembumian yang berbeza (5Oh, 10Oh, 15Oh, dan 20Ω) ditetapkan untuk mengkaji pengaruh rintangan pembumian pada tindak balas sementara elektromagnet menara tiang.

Pengiraan simulasi dijalankan menggunakan modul medan elektromagnet sementara perisian ANSYS Maxwell. Penyelesai ditetapkan kepada penyelesai domain masa, yang sesuai untuk mensimulasikan medan elektromagnet sementara dengan ciri-ciri perubahan masa. Kaedah pengiraan ialah kaedah unsur terhingga, yang mendiskrisikan domain penyelesaian kepada sejumlah besar elemen terhingga, dan menyelesaikan persamaan Maxwell dalam setiap elemen untuk mendapatkan taburan medan elektromagnet.

Semasa proses pengiraan, parameter berikut ditetapkan: (1) Keadaan awal ialah sifar, itu dia, keamatan medan elektrik awal dan keamatan medan magnet dalam domain larutan adalah sifar; (2) Kriteria penumpuan ditetapkan kepada 1×10⁻⁶, yang memastikan ketepatan pengiraan; (3) Pecutan perkakasan didayakan, menggunakan GPU untuk mempercepatkan pengiraan, yang meningkatkan kecekapan pengiraan.

Selepas pengiraan simulasi, voltan sementara, arus sementara, dan pengagihan medan elektromagnet sementara bagi setiap bahagian menara tiang pada masa yang berbeza boleh diperolehi melalui modul pasca pemprosesan perisian ANSYS Maxwell.

Rajah 3 menunjukkan bentuk gelombang voltan sementara bahagian berlainan menara tiang apabila kilat menyambar bahagian atas menara (rintangan pembumian ialah 10Ω). Ia boleh dilihat daripada Rajah 3 bahawa voltan sementara setiap bahagian menara tiang meningkat dengan cepat dengan peningkatan gelombang penuh impuls kilat, mencapai nilai puncak pada kira-kira 1.2μs, dan kemudian mereput secara beransur-ansur dengan pereputan ekor gelombang.

Nilai puncak voltan sementara pada bahagian yang berbeza adalah seperti berikut: bahagian atas menara ialah 1425kV (sama dengan nilai puncak voltan impuls kilat yang dimuatkan), bahagian tengah badan menara (22.5ketinggian m) ialah 785kV, bahagian bawah badan menara (0ketinggian m) ialah 125kV, hujung lengan silang ialah 650kV, dan tali penebat ialah 580kV. Voltan sementara berkurangan secara beransur-ansur dari bahagian atas menara ke bahagian bawah menara, iaitu kerana badan menara mempunyai impedans gelombang tertentu, dan voltan impuls kilat dilemahkan semasa proses perambatan di sepanjang badan menara.

Voltan sementara pada rentetan penebat ialah voltan antara lengan silang dan konduktor. Apabila kilat menyambar bahagian atas menara, lengan silang berada pada voltan sementara yang tinggi, manakala konduktor tidak langsung disambar petir, jadi voltan sementara pada rentetan penebat ialah perbezaan antara voltan sementara lengan silang dan konduktor. Nilai puncak voltan sementara pada rentetan penebat ialah 580kV, yang kurang daripada kekuatan penebat tali penebat 500kV (1425kV), jadi tiada kilatan penebat berlaku.

Rajah 4 menunjukkan bentuk gelombang arus sementara bahagian berlainan menara tiang apabila kilat menyambar bahagian atas menara (rintangan pembumian ialah 10Ω). Arus sementara setiap bahagian menara tiang juga meningkat dengan cepat dengan peningkatan gelombang penuh impuls kilat, mencapai nilai puncak pada kira-kira 1.5μs, dan kemudian mereput secara beransur-ansur.

Nilai puncak arus sementara pada bahagian yang berbeza adalah seperti berikut: bahagian atas menara ialah 14.25kA, bahagian tengah badan menara ialah 12.8kA, bahagian bawah badan menara ialah 11.5kA, dan grid pembumian ialah 11.5kA. Arus sementara berkurangan sedikit dari bahagian atas menara ke bahagian bawah menara, iaitu kerana sebahagian kecil arus bocor ke tanah melalui kapasitansi teragih badan menara. Arus sementara grid pembumian adalah sama dengan arus sementara di bahagian bawah badan menara, yang menunjukkan bahawa semua arus di bahagian bawah badan menara disuntik ke dalam tanah melalui grid pembumian.

Bentuk gelombang arus sementara adalah sedikit berbeza daripada voltan sementara. Masa puncak arus sementara adalah lebih lewat daripada voltan sementara, iaitu kerana kearuhan badan menara dan grid pembumian menyebabkan arus ketinggalan di belakang voltan.

Rajah 5 menunjukkan taburan medan elektromagnet sementara di sekeliling menara tiang pada t=1.2μs (masa puncak voltan sementara) apabila kilat menyambar bahagian atas menara (rintangan pembumian ialah 10Ω). Keamatan medan elektromagnet adalah yang paling tinggi berhampiran bahagian atas menara, dengan nilai puncak 5.8×10⁵ V/m (keamatan medan elektrik) dan 1.5×10³ A/m (keamatan medan magnet).

Medan elektromagnet sementara di sekeliling menara tiang mereput secara eksponen dengan peningkatan jarak. Apabila jarak dari badan menara ialah 5m, keamatan medan elektrik ialah 1.2×10⁵ V/m, dan keamatan medan magnet ialah 3.2×10² A/m; apabila jaraknya ialah 10m, keamatan medan elektrik ialah 2.8×10⁴ V/m, dan keamatan medan magnet ialah 7.5×10¹ A/m; apabila jaraknya ialah 20m, keamatan medan elektrik ialah 6.8×10³ V/m, dan keamatan medan magnet ialah 1.8×10¹ A/m. Undang-undang taburan ini selaras dengan ciri-ciri gelombang elektromagnet medan dekat yang dihasilkan oleh arus sementara.

Sebagai tambahan, keamatan medan elektromagnet mempunyai kearah yang jelas. Keamatan medan elektromagnet ke arah sambaran petir (arah menegak) adalah lebih tinggi daripada itu dalam arah mendatar, yang disebabkan oleh arus sementara dalam badan menara terutamanya menegak, dan medan elektromagnet yang dihasilkan oleh arus menegak adalah lebih kuat dalam arah menegak.

Rajah 6 menunjukkan bentuk gelombang voltan sementara bahagian berlainan menara tiang apabila kilat menyambar lengan silang (rintangan pembumian ialah 10Ω). Berbanding dengan sambaran petir di bahagian atas menara, voltan sementara lengan silang adalah yang paling tinggi, dengan nilai puncak 1425kV. Voltan sementara di bahagian atas menara ialah 980kV, bahagian tengah badan menara ialah 560kV, bahagian bawah badan menara ialah 105kV, dan tali penebat ialah 850kV.

Voltan sementara pada rentetan penebat adalah jauh lebih tinggi daripada apabila kilat menyambar bahagian atas menara. Ini kerana apabila kilat menyambar lengan silang, lengan silang adalah terus pada voltan puncak impuls kilat, dan konduktor adalah dekat dengan lengan silang, jadi perbezaan voltan antara lengan silang dan konduktor adalah lebih besar. Nilai puncak voltan sementara pada rentetan penebat ialah 850kV, yang masih kurang daripada kekuatan penebat tali penebat, jadi tiada kilatan penebat berlaku. Walau bagaimanapun, jika voltan impuls kilat lebih tinggi atau prestasi penebat rentetan penebat berkurangan, flashover penebat mungkin berlaku.

Rajah 7 menunjukkan bentuk gelombang arus sementara bahagian berlainan menara tiang apabila kilat menyambar lengan silang (rintangan pembumian ialah 10Ω). Nilai puncak arus sementara pada lengan silang ialah 14.25kA, bahagian atas menara ialah 4.8kA, bahagian tengah badan menara ialah 9.5kA, bahagian bawah badan menara ialah 11.2kA, dan grid pembumian ialah 11.2kA.

Berbanding dengan sambaran petir di bahagian atas menara, arus sementara di bahagian atas menara adalah lebih kecil, manakala arus sementara di bahagian tengah badan menara adalah lebih kecil sedikit. Ini kerana apabila kilat menyambar lengan silang, arus terbahagi kepada dua bahagian: satu bahagian mengalir ke puncak menara, dan bahagian yang lain mengalir ke bahagian bawah menara. Disebabkan oleh impedans gelombang yang lebih tinggi dari bahagian atas menara, kebanyakan arus mengalir ke bahagian bawah menara dan disuntik ke dalam tanah melalui grid pembumian.

Rajah 8 menunjukkan taburan medan elektromagnet sementara di sekeliling menara tiang pada t=1.2μs apabila kilat menyambar lengan silang (rintangan pembumian ialah 10Ω). Keamatan medan elektromagnet berhampiran lengan silang adalah yang paling tinggi, dengan nilai puncak 6.2×10⁵ V/m (keamatan medan elektrik) dan 1.6×10³ A/m (keamatan medan magnet), yang lebih tinggi daripada itu apabila kilat menyambar bahagian atas menara.

Medan elektromagnet sementara di sekeliling menara tiang juga mereput secara eksponen dengan peningkatan jarak. Apabila jarak dari lengan silang ialah 5m, keamatan medan elektrik ialah 1.3×10⁵ V/m, dan keamatan medan magnet ialah 3.4×10² A/m; apabila jaraknya ialah 10m, keamatan medan elektrik ialah 3.0×10⁴ V/m, dan keamatan medan magnet ialah 7.8×10¹ A/m. Kearaharah medan elektromagnet juga jelas, dan keamatan medan elektromagnet dalam arah berserenjang dengan lengan silang adalah lebih tinggi daripada arah lain..

Rajah 9 menunjukkan bentuk gelombang voltan sementara bahagian berlainan menara tiang apabila petir menyambar konduktor (rintangan pembumian ialah 10Ω). Apabila kilat menyambar konduktor, voltan sementara konduktor ialah 1425kV, rentetan penebat ialah 1425kV (sama dengan voltan konduktor), lengan silang ialah 575kV, bahagian atas menara ialah 480kV, bahagian tengah badan menara ialah 320kV, dan bahagian bawah badan menara ialah 85kV.

Voltan sementara pada rentetan penebat adalah yang tertinggi apabila kilat menyambar konduktor, yang sama dengan nilai puncak voltan impuls kilat. Ini kerana konduktor itu terus disambar petir, dan tali penebat menanggung voltan penuh impuls kilat. Nilai puncak voltan sementara pada rentetan penebat ialah 1425kV, yang sama dengan kekuatan penebat tali penebat. Pada masa ini, rentetan penebat berada dalam keadaan kritikal penebat flashover. Jika voltan impuls kilat lebih tinggi sedikit, flashover penebat akan berlaku, membawa kepada litar pintas antara konduktor dan lengan silang.

Rajah 10 menunjukkan bentuk gelombang arus sementara bahagian-bahagian berlainan menara tiang apabila kilat menyambar konduktor (rintangan pembumian ialah 10Ω). Nilai puncak arus sementara pada konduktor ialah 14.25kA, rentetan penebat ialah 14.25kA, lengan silang ialah 12.5kA, bahagian atas menara ialah 3.2kA, bahagian tengah badan menara ialah 9.8kA, bahagian bawah badan menara ialah 11.0kA, dan grid pembumian ialah 11.0kA.

Apabila kilat menyambar konduktor, arus dihantar ke lengan silang melalui tali penebat, kemudian dibahagikan kepada dua bahagian: satu bahagian mengalir ke puncak menara, dan bahagian yang lain mengalir ke bahagian bawah menara. Arus yang mengalir ke bahagian bawah menara disuntik ke dalam tanah melalui grid pembumian. Arus sementara pada lengan silang adalah lebih kecil sedikit daripada pada konduktor, iaitu kerana sebahagian kecil arus bocor ke udara melalui kemuatan teragih lengan silang.

Rajah 11 menunjukkan taburan medan elektromagnet sementara di sekeliling menara tiang pada t=1.2μs apabila kilat menyambar konduktor (rintangan pembumian ialah 10Ω). Keamatan medan elektromagnet berhampiran konduktor dan rentetan penebat adalah yang paling tinggi, dengan nilai puncak 6.5×10⁵ V/m (keamatan medan elektrik) dan 1.7×10³ A/m (keamatan medan magnet), yang lebih tinggi daripada itu apabila kilat menyambar bahagian atas menara dan lengan silang.

Medan elektromagnet sementara di sekeliling menara tiang mereput secara eksponen dengan peningkatan jarak. Apabila jarak dari konduktor ialah 5m, keamatan medan elektrik ialah 1.4×10⁵ V/m, dan keamatan medan magnet ialah 3.6×10² A/m; apabila jaraknya ialah 10m, keamatan medan elektrik ialah 3.2×10⁴ V/m, dan keamatan medan magnet ialah 8.2×10¹ A/m. Medan elektromagnet dalam arah selari dengan konduktor adalah lebih tinggi daripada arah lain.

Untuk mengkaji pengaruh rintangan pembumian pada ciri-ciri sementara elektromagnet menara-tiang, empat nilai rintangan pembumian yang berbeza (5Oh, 10Oh, 15Oh, dan 20Ω) dipilih, dan kedudukan sambaran kilat ditetapkan di bahagian atas menara. Variasi nilai puncak voltan dan arus sementara pada bahagian berlainan tiang-menara dengan rintangan pembumian ditunjukkan dalam Jadual 2.

Rintangan asas (Oh)	Puncak Voltan Sementara di Puncak Menara (kV)	Voltan Sementara Puncak di Bawah Menara (kV)	Puncak Arus Transient di Puncak Menara (yang)	Arus Transient Puncak di Grid Pembumian (yang)
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

Ia boleh dilihat dari Jadual 2 bahawa nilai puncak voltan sementara di bahagian atas menara tidak dipengaruhi oleh rintangan pembumian, yang sentiasa sama dengan nilai puncak voltan impuls kilat yang dimuatkan. Walau bagaimanapun, nilai puncak voltan sementara di bahagian bawah menara meningkat dengan ketara dengan peningkatan rintangan pembumian. Apabila rintangan pembumian meningkat daripada 5Ω kepada 20Ω, nilai puncak voltan sementara di bahagian bawah menara meningkat daripada 65kV kepada 245kV, peningkatan sebanyak 277%.

Nilai puncak arus sementara di bahagian atas menara juga tidak terjejas oleh rintangan pembumian, manakala nilai puncak arus sementara pada grid pembumian berkurangan dengan peningkatan rintangan pembumian. Apabila rintangan pembumian meningkat daripada 5Ω kepada 20Ω, nilai puncak arus sementara pada grid pembumian berkurangan daripada 13.8kA kepada 8.5kA, penurunan sebanyak 38.4%. Ini kerana peningkatan rintangan pembumian meningkatkan galangan gelung pembumian, mengurangkan arus yang disuntik ke dalam tanah.

Peningkatan voltan sementara di bahagian bawah menara dan penurunan arus sementara pada grid pembumian akan meningkatkan risiko kilat penebat menara tiang dan peralatan yang dipasang.. kebakaran, mengurangkan rintangan pembumian adalah langkah yang berkesan untuk meningkatkan prestasi perlindungan kilat menara tiang.

Berdasarkan analisis simulasi di atas, kesimpulan utama tentang ciri sementara elektromagnet menara tiang 500kV di bawah gelombang penuh impuls kilat adalah seperti berikut:

(1) Kedudukan sambaran petir mempunyai kesan yang ketara ke atas tindak balas sementara elektromagnet menara tiang. Apabila kilat menyambar konduktor, voltan sementara pada tali penebat adalah yang paling tinggi, yang berada dalam keadaan kritikal penebat flashover; apabila kilat menyambar lengan silang, keamatan medan elektromagnet berhampiran lengan silang adalah yang paling tinggi; apabila kilat menyambar bahagian atas menara, voltan dan arus sementara di bahagian atas menara adalah yang paling tinggi.

(2) Voltan sementara menara tiang berkurangan secara beransur-ansur dari titik mogok ke bahagian bawah menara, dan arus sementara juga berkurangan sedikit. Medan elektromagnet sementara di sekeliling menara tiang mereput secara eksponen dengan peningkatan jarak, dan mempunyai arahan yang jelas.

(3) Rintangan pembumian mempunyai kesan yang ketara ke atas tindak balas sementara elektromagnet menara tiang. Dengan peningkatan rintangan pembumian, voltan sementara di bahagian bawah menara meningkat dengan ketara, dan arus sementara pada grid pembumian berkurangan, yang meningkatkan risiko kilatan penebat.

(4) Rentetan penebat menanggung voltan sementara tertinggi apabila kilat menyambar konduktor, yang merupakan keadaan kerja yang paling berbahaya untuk rentetan penebat. kebakaran, dalam reka bentuk perlindungan kilat menara tiang, perhatian khusus harus diberikan kepada perlindungan tali penebat apabila kilat menyambar konduktor.

Untuk mengesahkan ketepatan model simulasi unsur terhingga, model percubaan berskala kecil menara tiang 500kV dibina berdasarkan prinsip persamaan. Prinsip persamaan memerlukan parameter geometri, parameter bahan, dan parameter beban model skala terkecil adalah serupa dengan prototaip [22]. Nisbah skala model skala terkecil kepada prototaip ditetapkan kepada 1:20, yang ditentukan mengikut saiz makmal dan kapasiti penjana impuls kilat.

Parameter geometri model skala terkecil adalah seperti berikut: jumlah ketinggian badan menara ialah 2.25m, lebar tapak ialah 0.4m, panjang lengan silang ialah 0.6m. Badan menara dan lengan silang diperbuat daripada keluli sudut Q235 dengan saiz keratan rentas 5mm × 5mm × 0.5mm. Tali penebat diperbuat daripada kaca organik dengan diameter 2mm dan panjang 50mm. Konduktor ialah dawai kuprum dengan diameter 1.25mm. Peranti pembumian ialah grid pembumian mendatar dengan panjang 1m, lebar 1m, dan kedalaman pengebumian 0.04m, dan konduktor pembumian ialah dawai kuprum dengan diameter 0.6mm.

Dari segi padanan parameter bahan, mengikut prinsip persamaan, kebolehperolehan relatif, kebolehtelapan relatif dan kekonduksian bahan harus kekal konsisten dengan prototaip untuk memastikan persamaan ciri elektromagnet. Keluli Q235 yang digunakan dalam model skala terkecil mempunyai kekonduksian 5.0×10⁶ S/m, yang hampir dengan 5.8×10⁶ S/m keluli Q355 dalam prototaip, dan perbezaannya adalah dalam julat ralat eksperimen yang boleh diterima. Ketelusan relatif kaca organik ialah 3.2, yang berhampiran dengan 4.0 daripada plastik bertetulang gentian kaca dalam prototaip, dan boleh memenuhi keperluan simulasi prestasi penebat. Tanah yang digunakan dalam eksperimen adalah tanah liat dengan kekonduksian sebanyak 0.01 S/m, yang sama seperti yang ditetapkan dalam model simulasi.

Untuk padanan parameter beban, gelombang penuh impuls kilat yang digunakan pada model skala terkecil harus memenuhi nisbah persamaan voltan. Mengikut nisbah skala geometri bagi 1:20, nisbah skala voltan juga 1:20. kebakaran, nilai puncak voltan impuls kilat yang digunakan pada model skala terkecil ialah 1425kV / 20 = 71.25KV, dan parameter bentuk gelombang masih 1.2/50μs, yang selaras dengan keperluan standard.

Sistem eksperimen terutamanya terdiri daripada penjana impuls kilat, model menara tiang berskala kecil, satu sistem pengukuran, dan sistem pembumian, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 12. Penjana impuls kilat adalah jenis GS-100kV, yang boleh menjana gelombang penuh impuls kilat 1.2/50μs standard dengan voltan puncak boleh laras daripada 0 kepada 100kV, memenuhi keperluan beban eksperimen.

Sistem pengukuran termasuk pembahagi voltan tinggi, sensor semasa, sensor medan elektromagnet, dan sistem pemerolehan data. Pembahagi voltan tinggi ialah pembahagi voltan kapasitif dengan nisbah pembahagian voltan sebanyak 1000:1, yang digunakan untuk mengukur voltan sementara setiap bahagian menara tiang. Sensor semasa ialah gegelung Rogowski dengan julat ukuran 0-20kA dan lebar jalur 10Hz-10MHz, yang digunakan untuk mengukur arus sementara badan menara dan grid pembumian. Penderia medan elektromagnet ialah probe medan elektromagnet jalur lebar dengan julat ukuran 1V/m-10⁶ V/m (medan elektrik) dan 0.1A/m-10³ A/m (medan magnet), yang digunakan untuk mengukur medan elektromagnet sementara di sekeliling menara tiang. Sistem pemerolehan data menggunakan osiloskop digital dengan kadar persampelan 1GS/s dan kedalaman storan 10M, yang boleh menangkap bentuk gelombang sementara bagi isyarat yang diukur dengan tepat.

Sistem pembumian sistem eksperimen adalah bebas daripada sistem pembumian makmal untuk mengelakkan gangguan bersama. Rintangan pembumian sistem pembumian eksperimen boleh laras, dan empat nilai rintangan 0.25Ω, 0.5Oh, 0.75Oh, dan 1Ω ditetapkan mengikut nisbah kesamaan (konsisten dengan 5Ω, 10Oh, 15Oh, dan 20Ω dalam model simulasi). Grid pembumian sistem eksperimen disambungkan ke peranti pembumian model skala terkecil untuk memastikan arus kilat dapat disuntik dengan lancar ke dalam tanah.

Langkah-langkah eksperimen dijalankan mengikut IEC 60060-1 standard dan keperluan berkaitan ujian perlindungan kilat sistem kuasa, dan dibahagikan kepada peringkat berikut:

(1) Persediaan pra-percubaan: Semak integriti model skala terkecil, memastikan bahawa sambungan antara badan menara, lengan silang, rentetan penebat, dan konduktor boleh dipercayai, dan sahkan bahawa peranti pembumian berada dalam hubungan yang baik dengan tanah. Kalibrasi sistem pengukuran, termasuk pembahagi voltan tinggi, sensor semasa, dan penderia medan elektromagnet, untuk memastikan ketepatan data pengukuran. Laraskan penjana impuls kilat untuk menjana gelombang penuh standard 1.2/50μs dengan voltan puncak 71.25kV.

(2) Pemuatan eksperimen dan pengumpulan data: Menjalankan eksperimen di bawah tiga kedudukan kilat (puncak menara, lengan silang, konduktor) dan empat nilai rintangan pembumian masing-masing. Untuk setiap keadaan kerja, hidupkan penjana impuls kilat untuk menyuntik gelombang penuh impuls kilat ke titik mogok, dan gunakan sistem pemerolehan data untuk mengumpul voltan sementara, arus sementara, dan isyarat medan elektromagnet sementara bagi setiap bahagian menara tiang. Setiap keadaan kerja diulang 5 kali untuk mengurangkan ralat rawak eksperimen, dan nilai purata bagi 5 set data diambil sebagai hasil percubaan akhir.

(3) Penamat selepas eksperimen: Matikan peralatan eksperimen mengikut urutan, menyusun data eksperimen yang dikumpul, dan menghapuskan data tidak sah dengan ralat yang jelas. Bersihkan tapak eksperimen dan pastikan peralatan eksperimen dalam keadaan baik.

Mengambil keadaan kerja sambaran petir di bahagian atas menara dan rintangan pembumian 0.5Ω (sepadan dengan 10Ω dalam simulasi) sebagai contoh, keputusan eksperimen dan hasil simulasi dibandingkan dan dianalisis. Rajah 13 menunjukkan perbandingan bentuk gelombang voltan sementara di tengah badan menara antara eksperimen dan simulasi. Dari rajah tersebut dapat dilihat bahawa bentuk gelombang eksperimen dan bentuk gelombang simulasi mempunyai trend variasi yang sama: kedua-duanya meningkat dengan cepat kepada nilai puncak pada kira-kira 1.2μs, dan kemudian reput secara beransur-ansur. Nilai puncak voltan sementara yang diperolehi oleh eksperimen ialah 39.3kV, dan nilai puncak yang diperolehi oleh simulasi ialah 41.2kV. Ralat relatifnya ialah 4.6%, yang kurang daripada 8%.

Rajah 14 menunjukkan perbandingan bentuk gelombang arus sementara pada grid pembumian antara eksperimen dan simulasi. Bentuk gelombang eksperimen dan bentuk gelombang simulasi juga mempunyai ketekalan yang baik. Masa puncak arus eksperimen adalah kira-kira 1.5μs, dan masa puncak arus simulasi juga adalah kira-kira 1.5μs. Nilai puncak arus eksperimen ialah 0.57kA, dan nilai puncak arus simulasi ialah 0.59kA. Ralat relatifnya ialah 3.4%, yang berada dalam julat yang boleh diterima.

Rajah 15 menunjukkan perbandingan keamatan medan elektrik pada 5m dari badan menara antara eksperimen dan simulasi. Puncak keamatan medan elektrik eksperimen ialah 6.1×10³ V/m, dan puncak keamatan medan elektrik simulasi ialah 6.4×10³ V/m. Ralat relatifnya ialah 4.7%, yang juga kurang daripada 8%. Keamatan medan magnet pada kedudukan yang sama juga mempunyai konsistensi yang baik, dengan ralat relatif sebanyak 5.2%.

Jadual 3 menunjukkan perbandingan nilai puncak voltan sementara, arus sementara, dan keamatan medan elektrik di bawah keadaan kerja yang berbeza. Ia boleh dilihat daripada jadual bahawa ralat relatif antara keputusan eksperimen dan keputusan simulasi di bawah semua keadaan kerja adalah kurang daripada 8%, yang menunjukkan bahawa model simulasi unsur terhingga yang ditubuhkan dalam kertas ini mempunyai ketepatan dan kebolehpercayaan yang tinggi, dan boleh mensimulasikan proses sementara elektromagnet bagi menara tiang 500kV dengan tepat di bawah gelombang penuh impuls kilat.

Keadaan Kerja	Jenis Parameter	Nilai Eksperimen	Nilai Simulasi	Ralat Relatif (%)
Atas sambaran petir, R=0.5Ω	Voltan tengah menara (kV)	39.3	41.2	4.6
Atas sambaran petir, R=0.5Ω	Arus grid pembumian (yang)	0.57	0.59	3.4
Sambaran petir silang lengan, R=0.5Ω	Voltan lengan silang (kV)	71.3	74.5	4.3
Konduktor sambaran petir, R=0.5Ω	Voltan tali penebat (kV)	71.2	76.8	7.7
Atas sambaran petir, R=1Ω	5m medan elektrik (×10³ V/m)	3.2	3.4	5.9

Sebab utama ralat kecil antara keputusan eksperimen dan keputusan simulasi adalah: (1) Penyederhanaan model simulasi, seperti mengabaikan sambungan bolt dan komponen kecil, membawa kepada sedikit perbezaan antara model simulasi dan struktur sebenar; (2) Faktor persekitaran dalam eksperimen, seperti kelembapan dan suhu udara, mempunyai kesan kecil ke atas taburan medan elektromagnet; (3) Ralat pengukuran peralatan eksperimen itu sendiri. Walau bagaimanapun, kesilapan-kesilapan ini adalah dalam lingkungan kejuruteraan dan penyelidikan akademik yang boleh diterima, yang mengesahkan sepenuhnya rasional dan ketepatan model simulasi.

Dalam kertas ini, kajian menyeluruh tentang ciri-ciri sementara elektromagnet bagi menara tiang talian penghantaran 500kV di bawah gelombang penuh impuls kilat dijalankan dengan menggabungkan analisis teori, simulasi unsur terhingga, dan pengesahan percubaan. Kesimpulan kajian utama adalah seperti berikut:

(1) Sistem teori ciri sementara elektromagnet bagi menara tiang 500kV di bawah impuls kilat dibina. Gelombang penuh impuls kilat standard (1.2/50μs) mengikuti taburan fungsi eksponen berganda, dan proses sementara elektromagnet menara tiang dikawal oleh persamaan Maxwell. Tindak balas sementara menara tiang adalah hasil daripada tindakan komprehensif pengagihan voltan dan arus, gandingan medan elektromagnet, tindak balas penebat, dan mekanisme tindak balas pembumian.

(2) Model simulasi elemen terhingga tiga dimensi berketepatan tinggi bagi menara tiang keluli sudut 500kV ditubuhkan. Model ini mempertimbangkan ciri-ciri geometri badan menara, lengan silang, rentetan penebat, dan peranti pembumian, dan menetapkan parameter bahan dan keadaan sempadan dengan tepat. Keputusan simulasi menunjukkan bahawa model boleh menangkap proses sementara elektromagnet menara tiang di bawah impuls kilat dengan berkesan.

(3) Kedudukan sambaran petir dan rintangan pembumian adalah faktor utama yang mempengaruhi tindak balas sementara elektromagnet menara tiang.. Apabila kilat menyambar konduktor, rentetan penebat menanggung voltan sementara tertinggi (1425kV), yang berada dalam keadaan flashover kritikal; apabila kilat menyambar lengan silang, keamatan medan elektromagnet berhampiran lengan silang adalah yang paling tinggi (6.2×10⁵ V/m); apabila kilat menyambar bahagian atas menara, voltan dan arus sementara di bahagian atas menara adalah yang paling tinggi. Dengan peningkatan rintangan pembumian daripada 5Ω kepada 20Ω, voltan sementara di bahagian bawah menara meningkat sebanyak 277%, dan arus sementara pada grid pembumian berkurangan sebanyak 38.4%, yang meningkatkan dengan ketara risiko kelipan penebat.

(4) Medan elektromagnet sementara di sekeliling menara tiang mempunyai ciri-ciri taburan spatial yang jelas. Ia mereput secara eksponen dengan peningkatan jarak dari badan menara, dan mempunyai arahan yang ketara. Keamatan medan elektromagnet ke arah sambaran petir adalah yang paling tinggi pada jarak yang sama.

(5) Keputusan pengesahan eksperimen menunjukkan bahawa ralat relatif antara keputusan eksperimen dan keputusan simulasi adalah kurang daripada 8%, yang mengesahkan kebolehpercayaan dan ketepatan model simulasi. Hasil penyelidikan menyediakan asas teori dan teknikal yang boleh dipercayai untuk reka bentuk perlindungan kilat menara tiang talian penghantaran 500kV.

Berdasarkan hasil kajian, cadangan pengoptimuman berikut dikemukakan untuk reka bentuk perlindungan kilat bagi menara tiang talian penghantaran 500kV:

(1) Kuatkan perlindungan tali penebat di bawah keadaan kilat konduktor. Adalah disyorkan untuk memasang penahan oksida logam pada rentetan penebat menara tiang talian penghantaran 500kV, terutamanya di kawasan yang sering berlaku kilat. Penangkap boleh mengehadkan voltan lampau sementara pada rentetan penebat, elakkan lampu kilat penebat, dan melindungi tali penebat dan konduktor.

(2) Kurangkan rintangan pembumian menara tiang. Mengguna pakai langkah-langkah seperti mengembangkan grid pembumian, meletakkan elektrod pembumian mendatar dan menegak, dan menggunakan agen pengurangan rintangan pembumian untuk mengurangkan rintangan pembumian menara tiang kepada kurang daripada 5Ω. Ini boleh mengurangkan voltan sementara di bahagian bawah menara dengan berkesan, meningkatkan arus sementara yang disuntik ke dalam tanah, dan meningkatkan prestasi perlindungan kilat menara tiang.

(3) Optimumkan struktur menara tiang. Untuk lengan silang dan bahagian atas menara yang terdedah kepada keamatan medan elektromagnet yang tinggi, tingkatkan luas keratan rentas keluli sudut dengan sewajarnya atau gunakan paip keluli dengan kekonduksian yang lebih baik untuk mengurangkan impedans gelombang badan menara, dengan itu mengurangkan voltan sementara dan pengagihan arus. Pada masa yang sama, reka bentuk secara munasabah jarak antara lengan silang dan konduktor untuk meningkatkan jarak penebat.

(4) Memperkukuh pemantauan perlindungan kilat bagi talian penghantaran. Pasang peranti pemantauan kilat pada menara tiang talian penghantaran 500kV utama untuk memantau masa nyata parameter sambaran kilat (seperti kemuncak arus kilat, bentuk gelombang, kedudukan mogok) dan tindak balas sementara menara tiang. Ini boleh menyediakan sokongan data untuk pengoptimuman reka bentuk perlindungan kilat dan penyelenggaraan talian penghantaran.

Walaupun kertas kerja ini telah menjalankan penyelidikan mendalam tentang ciri-ciri sementara elektromagnet bagi menara tiang 500kV di bawah gelombang penuh impuls kilat, masih terdapat beberapa aspek yang perlu dikaji dengan lebih lanjut pada masa hadapan:

(1) Penyelidikan tentang ciri sementara elektromagnet di bawah bentuk gelombang impuls kilat bukan standard. Kilat semulajadi termasuk bahagian hadapan yang curam, ekor panjang, dan impuls kilat berbilang lejang. Penyelidikan masa depan harus memberi tumpuan kepada tindak balas sementara elektromagnet menara tiang di bawah bentuk gelombang bukan standard ini, dan menilai secara menyeluruh prestasi perlindungan kilat menara tiang.

(2) Penyelidikan tentang pengaruh faktor persekitaran yang kompleks. Penyelidikan semasa tidak mengambil kira pengaruh faktor persekitaran seperti hujan, salji, dan angin pada ciri sementara elektromagnet menara tiang. Penyelidikan masa depan harus mewujudkan model simulasi dengan mengambil kira faktor persekitaran yang kompleks, dan menganalisis pengaruh faktor-faktor ini ke atas tindak balas sementara menara tiang.

(3) Penyelidikan tentang gandingan sementara elektromagnet antara menara tiang dan peralatan bersebelahan. Menara tiang talian penghantaran 500kV bersebelahan dengan peralatan seperti menara komunikasi dan kabinet pengagihan kuasa. Medan sementara elektromagnet yang dihasilkan oleh sambaran petir mungkin mempunyai kesan gandingan pada peralatan bersebelahan ini. Penyelidikan masa depan harus mengkaji gangguan elektromagnet antara menara tiang dan peralatan bersebelahan, dan mengemukakan langkah anti-gangguan yang sepadan.

(4) Pembangunan teknologi perlindungan kilat pintar untuk menara tiang. Gabungkan teknologi baru muncul seperti kecerdasan buatan dan data besar untuk mewujudkan sistem perlindungan kilat pintar untuk menara tiang talian penghantaran 500kV. Sistem ini boleh meramalkan kilat, laraskan langkah perlindungan kilat dalam masa nyata, dan meningkatkan keupayaan perlindungan kilat aktif sistem kuasa.