Resumo: Como componente principal das linhas de transmissão de alta tensão de 500kV, torres polares têm a dupla função de suportar condutores e aterrar. A queda de raios é uma das principais ameaças à operação segura e estável das linhas de transmissão, e a resposta transitória eletromagnética de torres polares sob ondas completas de impulso de raio afeta diretamente a coordenação de isolamento e o projeto de proteção contra raios de todo o sistema de energia. Nesse artigo, um estudo abrangente sobre as características transitórias eletromagnéticas de torres de postes de linhas de transmissão de 500kV sob onda completa de impulso atmosférico é realizado combinando análise teórica, simulação de elementos finitos, e testes experimentais. Primeira, a base teórica dos transientes eletromagnéticos sob impulso de raio é elaborada, incluindo as características das ondas completas de impulso de raio, a lei de distribuição do campo eletromagnético, e o mecanismo de resposta transitória de estruturas de torres polares. Então, um modelo tridimensional de elementos finitos de um ângulo de 500kV pólo de aço-torre é estabelecida usando o software ANSYS Maxwell, e a onda completa do impulso do relâmpago (1.2/50μs) é aplicado para simular o processo transitório eletromagnético da torre pólo. As características de distribuição da tensão transitória, corrente transitória, e campo eletromagnético transitório da torre-pólo sob diferentes posições de queda de raio (topo da torre, braço cruzado, e condutor) e diferentes valores de resistência de aterramento são analisados. Enquanto isso, um modelo experimental em escala reduzida da torre-pólo é construído com base no princípio da similaridade, e testes de onda completa de impulso relâmpago são realizados para verificar a exatidão dos resultados da simulação. Os resultados mostram que: (1) A posição do raio tem um impacto significativo na resposta transitória eletromagnética da torre-pólo. A tensão e a corrente transitórias no topo da torre são maiores quando um raio atinge o topo da torre., e a intensidade do campo eletromagnético perto da cruzeta é mais alta quando um raio atinge a cruzeta. (2) Com o aumento da resistência de aterramento, a tensão transitória em cada parte da torre polar aumenta significativamente, e a taxa de atenuação da corrente transitória diminui, o que aumenta o risco de descarga de isolamento. (3) O campo eletromagnético transitório ao redor da torre polar decai exponencialmente com o aumento da distância, e a intensidade do campo eletromagnético à mesma distância é maior na direção do raio. (4) Os resultados da simulação estão de acordo com os resultados experimentais, com um erro inferior a 8%, que verifica a confiabilidade do modelo de elementos finitos estabelecido. Este estudo fornece uma base teórica e suporte técnico para a otimização do projeto de proteção contra descargas atmosféricas, coordenação de isolamento, e operação segura de torres-pólos de linhas de transmissão de 500kV.

Palavras-chave: 500linha de transmissão kV; torre de pólo; onda completa de impulso relâmpago; transitório eletromagnético; simulação de elementos finitos; verificação experimental

Com o rápido desenvolvimento da indústria de energia, 500As linhas de transmissão de alta tensão kV tornaram-se uma parte importante da rede elétrica nacional, empreendendo a importante tarefa de transmissão de energia de longa distância e grande capacidade. A operação segura e estável das linhas de transmissão de 500kV está diretamente relacionada à confiabilidade de todo o sistema de energia e ao funcionamento normal da produção social e da vida.. Contudo, Os relâmpagos são um dos desastres naturais mais importantes que ameaçam a operação segura das linhas de transmissão. De acordo com estatísticas, falhas causadas por raios são responsáveis ​​por mais de 40% do total de faltas em linhas de transmissão de alta tensão, e em algumas áreas propensas a raios, esta proporção pode até atingir mais de 60% [1]. Quando ocorre um raio em uma linha de transmissão ou torre de poste, uma forte onda completa de impulso de raio será gerada, que induzirá fenômenos transientes eletromagnéticos complexos na estrutura da torre-pólo. Esses fenômenos transitórios causarão sobretensão e sobrecorrente na torre-pólo e em seus equipamentos conectados, o que pode levar à descarga de isolamento, danos ao equipamento, e até quedas de energia, resultando em enormes perdas econômicas e impactos sociais [2-3].

Como principal componente de suporte e aterramento da linha de transmissão, a resposta transitória eletromagnética da torre polar sob a onda completa do impulso do raio é a questão central do projeto de proteção contra raios da linha de transmissão. A torre-poste geralmente é feita de cantoneira de aço, tubo de aço, ou concreto, e sua estrutura é complexa, envolvendo vários componentes, como o corpo da torre, braço cruzado, corda isolante, e dispositivo de aterramento. Quando um raio cai, o processo transitório eletromagnético da torre polar é afetado por muitos fatores, como a posição do raio, parâmetros de corrente atmosférica, resistência de aterramento, e estrutura de torre de pólo [4]. Assim sendo, estudo aprofundado das características transitórias eletromagnéticas de torres polares de 500kV sob onda completa de impulso atmosférico, dominando a lei de distribuição de tensão transitória, atual, e campo eletromagnético, e esclarecer a influência de vários fatores na resposta transitória são de grande importância para otimizar o projeto de proteção contra raios de torres polares, melhorando o nível de coordenação de isolamento do sistema de energia, e garantir a operação segura e estável de linhas de transmissão de 500kV.

Nos últimos anos, com a melhoria contínua da tecnologia de simulação computacional e tecnologia de testes experimentais, a pesquisa sobre as características transitórias eletromagnéticas de equipamentos de energia sob impulso de raio fez grandes progressos. Contudo, devido à estrutura complexa das torres polares de 500kV e à forte aleatoriedade dos relâmpagos, ainda há muitos problemas a serem resolvidos na pesquisa sobre as características transitórias eletromagnéticas de torres polares: (1) A pesquisa existente concentra-se principalmente no desempenho da proteção contra descargas atmosféricas de toda a linha de transmissão., e a pesquisa sobre a resposta transitória eletromagnética da própria torre polar não é suficientemente aprofundada; (2) A influência de diferentes posições de descarga atmosférica e valores de resistência de aterramento nas características transitórias eletromagnéticas da torre-pólo não foi estudada sistematicamente; (3) A precisão do modelo de simulação precisa ser verificada por dados experimentais mais confiáveis. Assim sendo, é necessário realizar um estudo abrangente e aprofundado sobre as características transitórias eletromagnéticas de torres-pólos de linhas de transmissão de 500kV sob impulso de raio de onda completa.

Acadêmicos estrangeiros realizaram muitas pesquisas sobre a proteção contra raios de linhas de transmissão e as características transitórias eletromagnéticas de torres polares anteriormente. Na década de 1970, estudiosos como Wagner propuseram pela primeira vez a teoria das ondas viajantes da sobretensão de raios, que lançou uma base teórica para o estudo de transientes eletromagnéticos de torres polares [5]. Com o desenvolvimento da tecnologia informática, métodos de simulação de elementos finitos têm sido amplamente utilizados no estudo de transientes eletromagnéticos de torres polares. Por exemplo, D'Alessandro et al. estabeleceu um modelo bidimensional de elementos finitos de uma torre-pólo de linha de transmissão usando o software COMSOL Multiphysics, simulou o processo transitório eletromagnético sob impulso de raio, e analisou a lei de distribuição de tensão e corrente transitória [6]. Petrache et al.. estudou a influência dos parâmetros da corrente atmosférica na resposta transitória eletromagnética de torres-pólo por meio de simulação e experimento, e propôs um esquema de otimização para o projeto de proteção contra raios de torres polares [7]. além do que, além do mais, estudiosos estrangeiros também realizaram muitas pesquisas sobre o desempenho de aterramento de torres polares sob impulso de raio, e estudou a influência da resistência de aterramento e da estrutura da grade de aterramento na resposta transitória [8-9].

A pesquisa nacional sobre as características transitórias eletromagnéticas de torres de linhas de transmissão de 500kV sob impulso de raio desenvolveu-se rapidamente nos últimos anos. Muitas universidades e instituições de pesquisa realizaram pesquisas aprofundadas neste campo. Por exemplo, Wang e outros. estabeleceu um modelo tridimensional de elementos finitos de uma torre angular de aço de 500kV usando o software ANSYS, simulou o processo transitório do impulso relâmpago, e analisou a distribuição do campo eletromagnético transitório em torno da torre-pólo [10]. Li e outros. construiu um modelo experimental em escala reduzida de uma torre de poste, realizou testes de onda completa de impulso relâmpago, e estudou as características de resposta de tensão transitória da torre-pólo sob diferentes posições de queda de raio [11]. Zhang et al.. estudou a influência da resistência de aterramento na resposta transitória eletromagnética de torres-pólo de 500kV por meio de simulação e experimento, e propôs um método para reduzir a resistência de aterramento para melhorar o desempenho da proteção contra raios [12]. Contudo, ainda existem algumas deficiências na pesquisa nacional existente: (1) O modelo de simulação não é detalhado o suficiente, e a influência de algumas estruturas finas da torre-pólo (como a conexão entre cantoneiras de aço e a coluna de isoladores) na resposta transitória não é considerada; (2) A sistematicidade da pesquisa experimental não é forte, e a verificação do modelo de simulação não é abrangente; (3) A pesquisa sobre o mecanismo de acoplamento transitório eletromagnético entre a torre-pólo e o condutor não é suficientemente aprofundada.

Os principais objetivos deste artigo são: (1) Elaborar a base teórica das características transitórias eletromagnéticas de torres-pólos de linhas de transmissão de 500kV sob impulso de raio de onda completa, incluindo as características das ondas completas de impulso de raio, a lei de distribuição do campo eletromagnético, e o mecanismo de resposta transitória; (2) Estabelecer um modelo tridimensional de elementos finitos de alta precisão de uma torre angular de aço de 500kV, e simular o processo transitório eletromagnético sob onda completa de impulso de raio; (3) Para analisar as características de distribuição de tensão transitória, corrente transitória, e campo eletromagnético transitório da torre polar sob diferentes fatores de influência (posição de relâmpago, resistência de aterramento); (4) Para construir um modelo experimental em escala reduzida da torre-pólo, realizar testes de onda completa de impulso relâmpago, e verificar a exatidão do modelo de simulação; (5) Apresentar sugestões de otimização para o projeto de proteção contra descargas atmosféricas de torres-pólos de linhas de transmissão de 500kV com base nos resultados da pesquisa.

O escopo de pesquisa deste artigo inclui: (1) A torre de poste angular de aço de 500kV comumente usada em engenharia; (2) A onda completa do impulso do raio com parâmetros de 1,2/50μs (horário de atendimento/horário de meio pico) que está em conformidade com o padrão IEC; (3) Três posições típicas de queda de raio: topo da torre, braço cruzado, e condutor; (4) Quatro valores típicos de resistência de aterramento: 5Oh, 10Oh, 15Oh, e 20Ω; (5) As características transitórias eletromagnéticas da torre polar, incluindo tensão transitória, corrente transitória, e distribuição de campo eletromagnético transitório.

Este artigo está dividido em seis capítulos. Capítulo 1 é a introdução, que detalha o histórico e o significado da pesquisa, resume o status da pesquisa no país e no exterior, esclarece os objetivos e escopo da pesquisa, e apresenta a estrutura da tese. Capítulo 2 apresenta a base teórica dos transientes eletromagnéticos sob impulso de raio, incluindo as características das ondas completas de impulso de raio, a teoria básica dos transientes eletromagnéticos, e o mecanismo de resposta transitória de estruturas de torres polares. Capítulo 3 descreve o estabelecimento do modelo de simulação de elementos finitos da torre pólo de 500kV, incluindo a simplificação do modelo, parâmetros materiais, condições de contorno, e carregamento de ondas completas de impulso de raio. Capítulo 4 analisa os resultados da simulação das características transitórias eletromagnéticas da torre-pólo sob diferentes fatores de influência. Capítulo 5 apresenta o projeto e implementação do modelo experimental em escala reduzida, e verifica os resultados da simulação através de testes experimentais. Capítulo 6 é a conclusão e a perspectiva, que resume os principais resultados da pesquisa, apresenta sugestões de otimização para o projeto de proteção contra descargas atmosféricas de torres polares de 500kV, e aguarda com expectativa a direção futura da pesquisa.

O impulso relâmpago é um tipo de sobretensão transitória de curta duração e alta amplitude. A onda completa do impulso do raio é geralmente definida por dois parâmetros: tempo de frente (T1) e meio horário de pico (T2). De acordo com a CEI 60060-1 padrão, a onda completa de impulso de raio padrão tem um tempo de frente de 1,2 μs (tolerância ±30%) e um tempo de meio pico de 50μs (tolerância ±20%), que é registrado como 1,2/50μs [13]. A forma de onda da onda completa do impulso relâmpago padrão é mostrada na Figura 1.

A expressão matemática da onda completa do impulso relâmpago padrão pode ser descrita pela função exponencial dupla [14]:

Onde: \( U_m \) é o valor de pico da tensão de impulso do raio; \( \tau_1 \) é a constante de tempo frontal, que determina a inclinação da frente de onda; \( \tau_2 \) é a constante do tempo de cauda, que determina a duração da cauda da onda; \( t \) é a hora.

O valor de pico da tensão de impulso do raio gerado por um raio natural pode atingir centenas de quilovolts a milhões de quilovolts, e o valor de pico da corrente do raio pode atingir dezenas de quiloamperes a centenas de quiloamperes. Para linhas de transmissão de 500kV, o nível de tensão do impulso do raio é geralmente 1425kV, que é determinado de acordo com os requisitos de coordenação de isolamento do sistema de energia [15]. Quando ocorre um raio, a onda completa do impulso do raio será injetada na torre do pólo através do ponto de impacto, e depois espalhe ao longo do corpo da torre até o chão, induzindo fenômenos transitórios eletromagnéticos complexos.

Além da onda completa padrão de 1,2/50μs, também existem impulsos de raios de frente íngreme e impulsos de raios de cauda longa na natureza. O impulso do raio de frente íngreme tem um tempo de frente mais curto (menos de 1 μs) e uma maior inclinação da frente de onda, que tem maior impacto no isolamento da torre-pólo. O impulso relâmpago de cauda longa tem um tempo de meio pico mais longo (mais de 50 μs), que pode causar danos cumulativos ao equipamento. Contudo, a onda completa de impulso relâmpago padrão de 1,2 / 50μs é a mais representativa, portanto, este artigo se concentra nas características transitórias eletromagnéticas da torre polar sob esta forma de onda.

O processo transitório eletromagnético da torre-pólo sob impulso de raio é um problema complexo de acoplamento de campo eletromagnético, que segue as equações de Maxwell [16]. As equações de Maxwell são as equações fundamentais que descrevem o campo eletromagnético, incluindo a lei de Gauss para eletricidade, Lei de Gauss para o magnetismo, Lei da indução eletromagnética de Faraday, e lei de Ampère-Maxwell. A forma diferencial das equações de Maxwell é a seguinte:

Onde: \( \vec{D} \) é o vetor de deslocamento elétrico; \( \rho_v \) é a densidade volumétrica de carga; \( \vec{B} \) é a intensidade da indução magnética; \( \vec{E} \) é a intensidade do campo elétrico; \( \vec{H} \) é a intensidade do campo magnético; \( \vec{J} \) é a densidade atual; \( t \) é a hora.

Na análise transitória eletromagnética da torre-pólo, a estrutura da torre-pólo é geralmente considerada como um condutor, e o meio circundante é o ar. As relações constitutivas do condutor e do ar são as seguintes:

Onde: \( \varepsilon \) é a permissividade; \( \em \) é a permeabilidade; \( \sigma \) é a condutividade.

Quando a onda completa do impulso do raio é injetada na torre-pólo, uma corrente variável no tempo será gerada no corpo da torre, que excitará um campo eletromagnético variável no tempo ao redor da torre polar. O campo eletromagnético variável no tempo induzirá correntes parasitas no condutor da torre-pólo, e haverá acoplamento eletromagnético entre o corpo da torre, braço cruzado, corda isolante, e condutor. A resposta transitória eletromagnética da torre-pólo é o resultado da interação entre o impulso do raio injetado, o campo eletromagnético, e a estrutura da torre-pólo.

A estrutura da torre-pólo é uma estrutura de treliça espacial complexa composta por vários ângulos de aço conectados por parafusos. Quando um raio atinge a torre do pólo, o mecanismo de resposta transitória da torre polar inclui principalmente os seguintes aspectos:

(1) Mecanismo de distribuição de tensão e corrente: A tensão de impulso do raio injetada a partir do ponto de impacto será distribuída ao longo do corpo da torre. Devido à capacitância e indutância distribuídas do corpo da torre, a tensão e a corrente terão um efeito de onda viajante durante o processo de propagação. A impedância de onda do corpo da torre é um parâmetro importante que afeta a distribuição de tensão e corrente. A impedância de onda da torre angular de aço está geralmente entre 100Ω e 300Ω, que está relacionado à área da seção transversal do corpo da torre, o espaçamento entre cantoneiras de aço, e a altura da torre [17].

(2) Mecanismo de acoplamento de campo eletromagnético: A corrente variável no tempo no corpo da torre gerará um campo eletromagnético variável no tempo ao redor da torre-pólo. O campo eletromagnético induzirá tensão e corrente nos condutores adjacentes e componentes metálicos, qual é o efeito de indução eletromagnética. Ao mesmo tempo, o campo eletromagnético também interagirá com o dispositivo de aterramento da torre-pólo, afetando a corrente de aterramento e a tensão de aterramento [18].

(3) Mecanismo de resposta de isolamento: A cadeia de isoladores entre a torre do pólo e o condutor é um importante componente de isolamento. Sob a ação de sobretensão de impulso relâmpago, a cadeia de isoladores suportará uma alta tensão transitória. Se a tensão transitória exceder a resistência do isolamento da cadeia de isoladores, ocorrerá flashover de isolamento, levando a um curto-circuito entre o condutor e a torre do pólo [19].

(4) Mecanismo de resposta de aterramento: O dispositivo de aterramento da torre-pólo é usado para guiar a corrente do raio para o solo e reduzir a tensão de aterramento. Sob a ação do impulso relâmpago, a resistência de aterramento do dispositivo de aterramento apresentará características transitórias. Devido ao efeito pelicular e à ionização do solo, a resistência de aterramento transitória é geralmente menor que a resistência de aterramento em estado estacionário, mas a lei de mudança é complexa [20]. A resposta de aterramento afeta diretamente a taxa de atenuação da corrente do raio e a distribuição da tensão transitória no pólo-torre.

Resumindo, a resposta transitória eletromagnética da torre polar sob o impulso do raio é um resultado abrangente de múltiplos mecanismos, como distribuição de tensão e corrente, acoplamento de campo eletromagnético, resposta de isolamento, e resposta de aterramento. Para analisar com precisão as características transitórias eletromagnéticas da torre-pólo, é necessário considerar esses mecanismos de forma abrangente e estabelecer um modelo matemático e um modelo de simulação razoáveis.

A torre angular de aço de 500kV estudada neste artigo é uma torre típica do tipo 猫头, com altura total de 45m, uma largura de base de 8m, e um comprimento de braço cruzado de 12m. O corpo da torre é composto por cantoneiras de aço Q355, com diferentes tamanhos de seção transversal em diferentes alturas. A cruzeta também é composta de cantoneiras de aço Q355, e a corda isolante é feita de plástico reforçado com fibra de vidro. Devido à estrutura complexa da torre-pólo, é necessário simplificar o modelo durante o processo de modelagem de elementos finitos para melhorar a eficiência do cálculo com a premissa de garantir a precisão do cálculo.

As principais medidas de simplificação são as seguintes: (1) Ignore as conexões dos parafusos entre as cantoneiras de aço, e suponha que as conexões sejam rígidas; (2) Simplifique a cadeia de isoladores como um isolador cilíndrico com o mesmo diâmetro e comprimento equivalentes; (3) Ignore os pequenos componentes, como a placa de base da torre e a braçadeira do cabo, que têm pouco impacto na resposta transitória eletromagnética; (4) O dispositivo de aterramento é simplificado como uma grade de aterramento horizontal com comprimento de 20m, uma largura de 20m, e uma profundidade de sepultamento de 0,8m, e o condutor de aterramento é um aço redondo com diâmetro de 12mm.

Com base nas medidas de simplificação acima, o modelo geométrico tridimensional da torre-pólo de 500kV é estabelecido usando o software ANSYS DesignModeler. O modelo geométrico inclui o corpo da torre, braço cruzado, corda isolante, condutor, e dispositivo de aterramento. O condutor é um condutor de transmissão CA de 500kV com diâmetro de 25mm. O modelo é mostrado na Figura 2.

Os principais materiais envolvidos no modelo torre-poste incluem o aço Q355 (corpo da torre, braço cruzado, condutor de aterramento), plástico reforçado com fibra de vidro (corda isolante), ar (meio circundante), e solo (meio de aterramento). Os parâmetros do material são mostrados na Tabela 1.

Material	Condutividade σ (S/m)	Permissividade ε (F/m)	Permeabilidade μ (H/m)	Densidade ρ (kg/m³)
Q355 Aço	5.8×10⁶	8.85×10⁻¹²	4π×10⁻⁷	7850
Plástico reforçado com fibra de vidro	1×10⁻¹²	3.54×10⁻¹¹	4π×10⁻⁷	1800
Ar	1×10⁻¹⁵	8.85×10⁻¹²	4π×10⁻⁷	1.29
Solo	0.01	1.77×10⁻¹⁰	4π×10⁻⁷	1800

Deve-se notar que a condutividade do solo é afetada por fatores como tipo de solo, teor de umidade, e temperatura. Nesse artigo, a condutividade do solo é considerada como 0.01 S/m, que é o valor médio do solo argiloso comumente usado em engenharia [21]. A permissividade do plástico reforçado com fibra de vidro é 4 vezes a do ar, que é determinado de acordo com os parâmetros do material fornecidos pelo fabricante.

A geração de malha é uma etapa fundamental na simulação de elementos finitos, o que afeta diretamente a precisão do cálculo e a eficiência do cálculo. A geração da malha do modelo pólo-torre é realizada utilizando o software ANSYS Meshing. Considerando a estrutura complexa da torre-pólo e a alta exigência de precisão de cálculo para o campo eletromagnético próximo ao corpo da torre, as seguintes estratégias de geração de malha são adotadas:

(1) Use malha tetraédrica para o corpo da torre, braço cruzado, corda isolante, condutor, e dispositivo de aterramento, que pode se adaptar à forma geométrica complexa; (2) Use malha hexaédrica para as regiões do ar e do solo, que tem maior precisão e eficiência de cálculo; (3) Realize o refinamento da malha para as regiões com grande gradiente de campo eletromagnético, como o ponto de impacto do raio, a conexão entre o corpo da torre e a cruzeta, e a grade de aterramento; (4) Controle o tamanho máximo da malha: o tamanho máximo da malha do corpo da torre e do braço transversal é de 0,5 m, o tamanho máximo da malha da corda isolante e do condutor é de 0,2 m, o tamanho máximo da malha da grade de aterramento é de 0,3m, e a malhagem máxima das regiões de ar e solo é de 2m.

Após a geração da malha, o número total de elementos de malha do modelo é 1,256,800, e o número total de nós é 2,345,600. A qualidade da malha é verificada, e a proporção média é 1.8, que atende aos requisitos do cálculo de elementos finitos.

3.4.1 Condições de contorno

As condições de contorno do modelo de simulação são definidas da seguinte forma: (1) O limite do campo distante é definido para a região aérea. O limite do campo distante é um limite não reflexivo, que pode simular a extensão infinita do ar e evitar a reflexão de ondas eletromagnéticas na fronteira, afetando os resultados da simulação; (2) O limite do solo é definido para a região do solo. O limite de terra é definido como um limite de condutor perfeito, assumindo que o solo é infinitamente profundo, e as ondas eletromagnéticas são completamente absorvidas pelo solo; (3) O limite de simetria não está definido, porque o raio é uma carga assimétrica, e a resposta transitória eletromagnética da torre polar também é assimétrica.

3.4.2 Carregando configurações

A onda completa do impulso do raio é carregada como uma fonte de tensão no ponto de impacto. De acordo com o escopo da pesquisa deste artigo, três posições típicas de queda de raio são selecionadas: (1) Topo da torre: a fonte de tensão é carregada no nó superior do corpo da torre; (2) Braço cruzado: a fonte de tensão é carregada no nó final da cruzeta; (3) Condutor: a fonte de tensão é carregada no nó intermediário do condutor.

Os parâmetros da onda completa do impulso atmosférico são definidos de acordo com a IEC 60060-1 padrão: tempo de frente 1,2 μs, tempo de meio pico 50μs, e tensão de pico 1425kV (o nível de tensão de impulso relâmpago de linhas de transmissão de 500kV). A forma de onda de tensão é gerada usando a função exponencial dupla no software ANSYS Maxwell, e o intervalo de tempo é definido como 0,01μs para garantir que o processo transitório seja capturado com precisão. O tempo de simulação está definido para 200μs, que cobre todo o processo da onda completa do impulso do raio, desde a ascensão até a decadência.

além do que, além do mais, a resistência de aterramento é simulada adicionando um limite de resistência na grade de aterramento. Quatro valores diferentes de resistência de aterramento (5Oh, 10Oh, 15Oh, e 20Ω) estão preparados para estudar a influência da resistência de aterramento na resposta transitória eletromagnética da torre-pólo.

O cálculo da simulação é realizado utilizando o módulo de campo eletromagnético transitório do software ANSYS Maxwell. O solucionador está definido para o solucionador no domínio do tempo, que é adequado para simular o campo eletromagnético transitório com características variantes no tempo. O método de cálculo é o método dos elementos finitos, que discretiza o domínio da solução em um grande número de elementos finitos, e resolve as equações de Maxwell em cada elemento para obter a distribuição do campo eletromagnético.

Durante o processo de cálculo, os seguintes parâmetros são definidos: (1) A condição inicial é zero, isso é, a intensidade do campo elétrico inicial e a intensidade do campo magnético no domínio da solução são zero; (2) O critério de convergência é definido como 1×10⁻⁶, o que garante a precisão do cálculo; (3) A aceleração de hardware está habilitada, usando a GPU para acelerar o cálculo, o que melhora a eficiência do cálculo.

Após o cálculo da simulação, a tensão transitória, corrente transitória, e a distribuição transitória do campo eletromagnético de cada parte da torre-pólo em diferentes momentos pode ser obtida através do módulo de pós-processamento do software ANSYS Maxwell.

Figura 3 mostra a forma de onda de tensão transitória de diferentes partes da torre polar quando um raio atinge o topo da torre (a resistência de aterramento é 10Ω). Pode ser visto na Figura 3 que a tensão transitória de cada parte da torre polar aumenta rapidamente com o aumento da onda completa do impulso do raio, atinge o valor de pico em cerca de 1,2 μs, e então decai gradualmente com o decaimento da cauda da onda.

Os valores de pico da tensão transitória em diferentes partes são os seguintes: o topo da torre é 1425kV (igual ao valor de pico da tensão de impulso do raio carregada), no meio do corpo da torre (22.5m altura) é 785kV, a parte inferior do corpo da torre (0m altura) é 125kV, a extremidade da cruzeta é 650kV, e a cadeia de isoladores é 580kV. A tensão transitória diminui gradualmente do topo da torre até a parte inferior da torre, o que ocorre porque o corpo da torre tem uma certa impedância de onda, e a tensão do impulso do raio é atenuada durante o processo de propagação ao longo do corpo da torre.

A tensão transitória na cadeia de isoladores é a tensão entre o braço cruzado e o condutor. Quando um raio atinge o topo da torre, o braço cruzado está em uma alta tensão transitória, enquanto o condutor não for diretamente atingido por um raio, então a tensão transitória na cadeia de isoladores é a diferença entre a tensão transitória do braço cruzado e do condutor. O valor de pico da tensão transitória na cadeia de isoladores é 580kV, que é menor que a resistência de isolamento da cadeia de isoladores de 500kV (1425kV), então não ocorre flashover de isolamento.

Figura 4 mostra a forma de onda da corrente transitória de diferentes partes da torre polar quando um raio atinge o topo da torre (a resistência de aterramento é 10Ω). A corrente transitória de cada parte da torre polar também aumenta rapidamente com o aumento da onda completa do impulso do raio., atinge o valor de pico em cerca de 1,5 μs, e então decai gradualmente.

Os valores de pico da corrente transitória em diferentes partes são os seguintes: o topo da torre é 14,25kA, o meio do corpo da torre é 12,8kA, a parte inferior do corpo da torre é 11,5kA, e a grade de aterramento é 11,5kA. A corrente transitória diminui ligeiramente do topo da torre até a parte inferior da torre, isso ocorre porque uma pequena parte da corrente vaza para o solo através da capacitância distribuída do corpo da torre. A corrente transitória da grade de aterramento é igual à corrente transitória na parte inferior do corpo da torre, o que indica que toda a corrente na parte inferior do corpo da torre é injetada no solo através da grade de aterramento.

A forma de onda da corrente transitória é ligeiramente diferente daquela da tensão transitória. O tempo de pico da corrente transitória é posterior ao da tensão transitória, o que ocorre porque a indutância do corpo da torre e da grade de aterramento faz com que a corrente fique atrasada em relação à tensão.

Figura 5 mostra a distribuição do campo eletromagnético transitório ao redor da torre polar em t=1,2μs (horário de pico da tensão transitória) quando um raio atinge o topo da torre (a resistência de aterramento é 10Ω). A intensidade do campo eletromagnético é mais alta perto do topo da torre, com um valor de pico de 5,8×10⁵ V/m (intensidade do campo elétrico) e 1,5×10³A/m (intensidade do campo magnético).

O campo eletromagnético transitório ao redor da torre polar decai exponencialmente com o aumento da distância. Quando a distância do corpo da torre é de 5m, a intensidade do campo elétrico é 1,2×10⁵ V/m, e a intensidade do campo magnético é 3,2×10² A/m; quando a distância é de 10m, a intensidade do campo elétrico é 2,8×10⁴ V/m, e a intensidade do campo magnético é 7,5×10¹ A/m; quando a distância é de 20m, a intensidade do campo elétrico é 6,8×10³ V/m, e a intensidade do campo magnético é 1,8×10¹ A/m. Esta lei de distribuição é consistente com as características da onda eletromagnética de campo próximo gerada pela corrente transitória.

além do que, além do mais, a intensidade do campo eletromagnético tem diretividade óbvia. A intensidade do campo eletromagnético na direção do raio (direção vertical) é maior do que na direção horizontal, o que ocorre porque a corrente transitória no corpo da torre é principalmente vertical, e o campo eletromagnético gerado pela corrente vertical é mais forte na direção vertical.

Figura 6 mostra a forma de onda de tensão transitória de diferentes partes da torre polar quando um raio atinge a cruzeta (a resistência de aterramento é 10Ω). Comparado com o relâmpago no topo da torre, a tensão transitória do braço cruzado é a mais alta, com um valor de pico de 1425kV. A tensão transitória no topo da torre é 980kV, o meio do corpo da torre é 560kV, a parte inferior do corpo da torre é 105kV, e a cadeia de isoladores é 850kV.

A tensão transitória na cadeia de isoladores é significativamente maior do que quando um raio atinge o topo da torre. Isso ocorre porque quando um raio atinge a cruzeta, o braço cruzado está diretamente na tensão de pico do impulso do raio, e o condutor está perto da cruzeta, então a diferença de tensão entre o braço cruzado e o condutor é maior. O valor de pico da tensão transitória na cadeia de isoladores é 850kV, que ainda é menor que a resistência de isolamento da cadeia de isoladores, então não ocorre flashover de isolamento. Contudo, se a tensão do impulso do raio for maior ou o desempenho de isolamento da cadeia de isoladores for reduzido, pode ocorrer flashover de isolamento.

Figura 7 mostra a forma de onda da corrente transitória de diferentes partes da torre polar quando um raio atinge a cruzeta (a resistência de aterramento é 10Ω). O valor de pico da corrente transitória no braço transversal é 14,25kA, o topo da torre é 4,8kA, o meio do corpo da torre é 9,5kA, a parte inferior do corpo da torre é 11,2kA, e a grade de aterramento é 11,2kA.

Comparado com o relâmpago no topo da torre, a corrente transitória no topo da torre é significativamente menor, enquanto a corrente transitória no meio do corpo da torre é ligeiramente menor. Isso ocorre porque quando um raio atinge a cruzeta, a corrente é dividida em duas partes: uma parte flui para o topo da torre, e a outra parte flui para a parte inferior da torre. Devido à maior impedância de onda do topo da torre, a maior parte da corrente flui para a parte inferior da torre e é injetada no solo através da grade de aterramento.

Figura 8 mostra a distribuição do campo eletromagnético transitório ao redor da torre-pólo em t=1,2μs quando um raio atinge a cruzeta (a resistência de aterramento é 10Ω). A intensidade do campo eletromagnético perto da cruzeta é a mais alta, com um valor de pico de 6,2×10⁵ V/m (intensidade do campo elétrico) e 1,6×10³A/m (intensidade do campo magnético), que é mais alto do que quando um raio atinge o topo da torre.

O campo eletromagnético transitório ao redor da torre polar também decai exponencialmente com o aumento da distância. Quando a distância da cruzeta é de 5m, a intensidade do campo elétrico é 1,3×10⁵ V/m, e a intensidade do campo magnético é 3,4×10² A/m; quando a distância é de 10m, a intensidade do campo elétrico é 3,0×10⁴ V/m, e a intensidade do campo magnético é 7,8×10¹ A/m. A diretividade do campo eletromagnético também é óbvia, e a intensidade do campo eletromagnético na direção perpendicular à cruzeta é maior do que em outras direções.

Figura 9 mostra a forma de onda de tensão transitória de diferentes partes da torre polar quando um raio atinge o condutor (a resistência de aterramento é 10Ω). Quando um raio atinge o condutor, a tensão transitória do condutor é 1425kV, a cadeia de isoladores é 1425kV (igual à tensão do condutor), o braço cruzado é 575kV, o topo da torre é 480kV, o meio do corpo da torre é 320kV, e a parte inferior do corpo da torre é de 85kV.

A tensão transitória na cadeia de isoladores é mais alta quando um raio atinge o condutor, que é igual ao valor de pico da tensão de impulso do raio. Isso ocorre porque o condutor é diretamente atingido por um raio, e a corda isolante suporta a tensão total do impulso do raio. O valor de pico da tensão transitória na cadeia de isoladores é 1425kV, que é igual à resistência de isolamento da cadeia de isoladores. Neste momento, a cadeia de isoladores está no estado crítico de descarga de isolamento. Se a tensão do impulso do raio for ligeiramente superior, ocorrerá flashover de isolamento, levando a um curto-circuito entre o condutor e a cruzeta.

Figura 10 mostra a forma de onda da corrente transitória de diferentes partes da torre polar quando um raio atinge o condutor (a resistência de aterramento é 10Ω). O valor de pico da corrente transitória no condutor é 14,25kA, a cadeia de isoladores é 14,25kA, o braço cruzado é 12,5kA, o topo da torre é 3,2kA, o meio do corpo da torre é 9,8kA, a parte inferior do corpo da torre é 11,0kA, e a grade de aterramento é 11,0kA.

Quando um raio atinge o condutor, a corrente é transmitida para o braço cruzado através da cadeia de isoladores, então dividido em duas partes: uma parte flui para o topo da torre, e a outra parte flui para a parte inferior da torre. A corrente que flui para a parte inferior da torre é injetada no solo através da grade de aterramento. A corrente transitória no braço cruzado é ligeiramente menor que aquela no condutor, isso ocorre porque uma pequena parte da corrente vaza para o ar através da capacitância distribuída do braço cruzado.

Figura 11 mostra a distribuição do campo eletromagnético transitório ao redor da torre-pólo em t=1,2μs quando um raio atinge o condutor (a resistência de aterramento é 10Ω). A intensidade do campo eletromagnético próximo ao condutor e à cadeia de isoladores é a mais alta, com um valor de pico de 6,5×10⁵ V/m (intensidade do campo elétrico) e 1,7×10³A/m (intensidade do campo magnético), que é mais alto do que quando um raio atinge o topo da torre e a cruzeta.

O campo eletromagnético transitório ao redor da torre polar decai exponencialmente com o aumento da distância. Quando a distância do condutor é de 5m, a intensidade do campo elétrico é 1,4×10⁵ V/m, e a intensidade do campo magnético é 3,6×10² A/m; quando a distância é de 10m, a intensidade do campo elétrico é 3,2×10⁴ V/m, e a intensidade do campo magnético é 8,2×10¹ A/m. O campo eletromagnético na direção paralela ao condutor é maior do que nas outras direções.

Estudar a influência da resistência de aterramento nas características transitórias eletromagnéticas da torre-pólo, quatro valores diferentes de resistência de aterramento (5Oh, 10Oh, 15Oh, e 20Ω) são selecionados, e a posição do raio é fixada no topo da torre. A variação do valor de pico da tensão e corrente transitórias em diferentes partes da torre-pólo com resistência de aterramento é mostrada na Tabela 2.

Resistência ao aterramento (Oh)	Tensão transitória de pico no topo da torre (kV)	Tensão transitória de pico na parte inferior da torre (kV)	Corrente transitória de pico no topo da torre (o)	Corrente transitória de pico na rede de aterramento (o)
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

Pode ser visto na tabela 2 que o valor de pico da tensão transitória no topo da torre não seja afetado pela resistência de aterramento, que é sempre igual ao valor de pico da tensão de impulso do raio carregada. Contudo, o valor de pico da tensão transitória na parte inferior da torre aumenta significativamente com o aumento da resistência de aterramento. Quando a resistência de aterramento aumenta de 5Ω para 20Ω, o valor de pico da tensão transitória na parte inferior da torre aumenta de 65kV para 245kV, um aumento de 277%.

O valor de pico da corrente transitória no topo da torre também não é afetado pela resistência de aterramento, enquanto o valor de pico da corrente transitória na rede de aterramento diminui com o aumento da resistência de aterramento. Quando a resistência de aterramento aumenta de 5Ω para 20Ω, o valor de pico da corrente transitória na rede de aterramento diminui de 13,8kA para 8,5kA, uma diminuição de 38.4%. Isso ocorre porque o aumento da resistência de aterramento aumenta a impedância do circuito de aterramento, reduzindo a corrente injetada no solo.

O aumento da tensão transitória na parte inferior da torre e a diminuição da corrente transitória na rede de aterramento aumentará o risco de flashover do isolamento da torre-pólo e dos equipamentos conectados. Assim sendo, reduzir a resistência de aterramento é uma medida eficaz para melhorar o desempenho da proteção contra raios da torre-pólo.

Com base na análise de simulação acima, as principais conclusões sobre as características transitórias eletromagnéticas da torre polar de 500kV sob onda completa de impulso atmosférico são as seguintes:

(1) A posição do raio tem um impacto significativo na resposta transitória eletromagnética da torre-pólo. Quando um raio atinge o condutor, a tensão transitória na cadeia de isoladores é a mais alta, que está no estado crítico de descarga de isolamento; quando um raio atinge a cruzeta, a intensidade do campo eletromagnético perto da cruzeta é a mais alta; quando um raio atinge o topo da torre, a tensão transitória e a corrente no topo da torre são as mais altas.

(2) A tensão transitória da torre polar diminui gradualmente do ponto de ataque até a parte inferior da torre, e a corrente transitória também diminui ligeiramente. O campo eletromagnético transitório ao redor da torre polar decai exponencialmente com o aumento da distância, e tem diretividade óbvia.

(3) A resistência de aterramento tem um impacto significativo na resposta transitória eletromagnética da torre-pólo. Com o aumento da resistência de aterramento, a tensão transitória na parte inferior da torre aumenta significativamente, e a corrente transitória na rede de aterramento diminui, o que aumenta o risco de descarga de isolamento.

(4) A cadeia de isoladores suporta a tensão transitória mais alta quando um raio atinge o condutor, qual é a condição de trabalho mais perigosa para a cadeia de isoladores. Assim sendo, no projeto de proteção contra raios da torre-poste, atenção especial deve ser dada à proteção da cadeia de isoladores quando um raio atinge o condutor.

Para verificar a exatidão do modelo de simulação de elementos finitos, um modelo experimental em escala reduzida da torre-pólo de 500kV é construído com base no princípio da similaridade. O princípio da similaridade exige que os parâmetros geométricos, parâmetros materiais, e os parâmetros de carga do modelo em escala reduzida são semelhantes aos do protótipo [22]. A relação de escala do modelo em escala reduzida para o protótipo é definida como 1:20, que é determinado de acordo com o tamanho do laboratório e a capacidade do gerador de impulsos atmosféricos.

Os parâmetros geométricos do modelo em escala reduzida são os seguintes: a altura total do corpo da torre é de 2,25m, a largura da base é 0,4 m, o comprimento do braço cruzado é de 0,6 m. O corpo da torre e o braço transversal são feitos de cantoneiras de aço Q235 com um tamanho de seção transversal de 5 mm × 5 mm × 0,5 mm. O fio isolante é feito de vidro orgânico com diâmetro de 2 mm e comprimento de 50 mm. O condutor é um fio de cobre com diâmetro de 1,25 mm. O dispositivo de aterramento é uma grade de aterramento horizontal com comprimento de 1m, uma largura de 1m, e uma profundidade de sepultamento de 0,04m, e o condutor de aterramento é um fio de cobre com diâmetro de 0,6 mm.

Em termos de correspondência de parâmetros de material, de acordo com o princípio da similaridade, a permissividade relativa, a permeabilidade relativa e a condutividade do material devem permanecer consistentes com o protótipo para garantir a similaridade das características eletromagnéticas. O aço Q235 usado no modelo em escala reduzida tem uma condutividade de 5,0×10⁶ S/m, que está próximo dos 5,8×10⁶ S/m do aço Q355 no protótipo, e a diferença está dentro da faixa aceitável de erros experimentais. A permissividade relativa do vidro orgânico é 3.2, que está perto do 4.0 de plástico reforçado com fibra de vidro no protótipo, e pode atender aos requisitos de simulação de desempenho de isolamento. O solo utilizado no experimento é argiloso com condutividade de 0.01 S/m, que é o mesmo definido no modelo de simulação.

Para correspondência de parâmetros de carga, a onda completa do impulso atmosférico aplicada ao modelo em escala reduzida deve satisfazer a relação de similaridade de tensão. De acordo com a proporção da escala geométrica de 1:20, a relação da escala de tensão também é 1:20. Assim sendo, o valor de pico da tensão de impulso do raio aplicada ao modelo em escala reduzida é 1425kV / 20 = 71,25 KV, e os parâmetros da forma de onda ainda são 1,2/50μs, que é consistente com os requisitos padrão.

O sistema experimental consiste principalmente em um gerador de impulsos relâmpago, um modelo de torre de poste em escala reduzida, um sistema de medição, e um sistema de aterramento, como mostrado na figura 12. O gerador de impulsos atmosféricos é do tipo GS-100kV, que pode gerar ondas completas de impulso de relâmpago padrão de 1,2 / 50μs com uma tensão de pico ajustável de 0 para 100kV, atendendo aos requisitos de carga experimental.

O sistema de medição inclui um divisor de alta tensão, um sensor de corrente, um sensor de campo eletromagnético, e um sistema de aquisição de dados. O divisor de alta tensão é um divisor de tensão capacitivo com uma relação de divisão de tensão de 1000:1, que é usado para medir a tensão transitória de cada parte da torre-pólo. O sensor de corrente é uma bobina Rogowski com faixa de medição de 0-20kA e largura de banda de 10Hz-10MHz., que é usado para medir a corrente transitória do corpo da torre e da grade de aterramento. O sensor de campo eletromagnético é uma sonda de campo eletromagnético de banda larga com faixa de medição de 1V/m-10⁶ V/m (campo elétrico) e 0,1A/m-10³ A/m (campo magnético), que é usado para medir o campo eletromagnético transitório ao redor da torre-pólo. O sistema de aquisição de dados utiliza um osciloscópio digital com taxa de amostragem de 1GS/s e profundidade de armazenamento de 10M., que pode capturar com precisão a forma de onda transitória do sinal medido.

O sistema de aterramento do sistema experimental é independente do sistema de aterramento do laboratório para evitar interferência mútua. A resistência de aterramento do sistema de aterramento experimental é ajustável, e quatro valores de resistência de 0,25Ω, 0.5Oh, 0.75Oh, e 1Ω são definidos de acordo com a relação de similaridade (consistente com o 5Ω, 10Oh, 15Oh, e 20Ω no modelo de simulação). A grade de aterramento do sistema experimental é conectada ao dispositivo de aterramento do modelo em escala reduzida para garantir que a corrente do raio possa ser injetada suavemente no solo.

As etapas experimentais são realizadas de acordo com a IEC 60060-1 padrão e os requisitos relevantes dos testes de proteção contra raios do sistema de energia, e são divididos nas seguintes etapas:

(1) Preparação pré-experiência: Verifique a integridade do modelo em escala reduzida, certifique-se de que as conexões entre o corpo da torre, braço cruzado, corda isolante, e condutor são confiáveis, e confirme se o dispositivo de aterramento está em bom contato com o solo. Calibrar o sistema de medição, incluindo o divisor de alta tensão, sensor de corrente, e sensor de campo eletromagnético, para garantir a precisão dos dados de medição. Ajuste o gerador de impulsos relâmpago para gerar uma onda completa padrão de 1,2/50μs com uma tensão de pico de 71,25kV.

(2) Carregamento experimental e coleta de dados: Realize experimentos em três posições de queda de raio (topo da torre, braço cruzado, condutor) e quatro valores de resistência de aterramento respectivamente. Para cada condição de trabalho, ligue o gerador de impulso do raio para injetar a onda completa do impulso do raio no ponto de impacto, e use o sistema de aquisição de dados para coletar a tensão transitória, corrente transitória, e sinais de campo eletromagnético transitórios de cada parte da torre-pólo. Cada condição de trabalho é repetida 5 vezes para reduzir o erro aleatório do experimento, e o valor médio do 5 conjuntos de dados são considerados o resultado experimental final.

(3) Acabamento pós-experiência: Desligue o equipamento experimental em sequência, classificar os dados experimentais coletados, e elimine dados inválidos com erros óbvios. Limpe o local experimental e mantenha o equipamento experimental em boas condições.

Tomando a condição de funcionamento de um raio no topo da torre e resistência de aterramento de 0,5Ω (correspondente a 10Ω na simulação) como exemplo, os resultados experimentais e os resultados da simulação são comparados e analisados. Figura 13 mostra a comparação da forma de onda da tensão transitória no meio do corpo da torre entre o experimento e a simulação. Pode-se observar na figura que a forma de onda experimental e a forma de onda de simulação têm a mesma tendência de variação: ambos aumentam rapidamente até o valor de pico em cerca de 1,2 μs, e então decair gradualmente. O valor de pico da tensão transitória obtida pelo experimento é 39,3kV, e o valor de pico obtido pela simulação é 41,2kV. O erro relativo é 4.6%, que é menor que 8%.

Figura 14 mostra a comparação da forma de onda da corrente transitória na grade de aterramento entre o experimento e a simulação. A forma de onda experimental e a forma de onda de simulação também têm boa consistência. O tempo de pico da corrente experimental é de cerca de 1,5 μs, e o tempo de pico da corrente de simulação também é de cerca de 1,5 μs. O valor de pico da corrente experimental é 0,57kA, e o valor de pico da corrente de simulação é 0,59kA. O erro relativo é 3.4%, que está dentro da faixa aceitável.

Figura 15 mostra a comparação da intensidade do campo elétrico a 5m do corpo da torre entre o experimento e a simulação. O pico de intensidade do campo elétrico experimental é 6,1×10³ V/m, e o pico de intensidade do campo elétrico de simulação é 6,4×10³ V/m. O erro relativo é 4.7%, que também é menor que 8%. A intensidade do campo magnético na mesma posição também tem boa consistência, com um erro relativo de 5.2%.

Mesa 3 mostra a comparação dos valores de pico da tensão transitória, corrente transitória, e intensidade do campo elétrico sob diferentes condições de trabalho. Pode-se observar na tabela que os erros relativos entre os resultados experimentais e os resultados da simulação em todas as condições de trabalho são inferiores a 8%, o que indica que o modelo de simulação de elementos finitos estabelecido neste artigo possui alta precisão e confiabilidade, e pode simular com precisão o processo transitório eletromagnético da torre de pólo de 500kV sob onda completa de impulso de raio.

Condição de trabalho	Tipo de parâmetro	Valor Experimental	Valor de simulação	Erro relativo (%)
Parte superior do relâmpago, R=0,5Ω	Média tensão da torre (kV)	39.3	41.2	4.6
Parte superior do relâmpago, R=0,5Ω	Corrente da rede de aterramento (o)	0.57	0.59	3.4
Braço cruzado de relâmpago, R=0,5Ω	Tensão do braço cruzado (kV)	71.3	74.5	4.3
Condutor de raios, R=0,5Ω	Tensão da cadeia de isoladores (kV)	71.2	76.8	7.7
Parte superior do relâmpago, R=1Ω	5m campo elétrico (×10³V/m)	3.2	3.4	5.9

As principais razões para o pequeno erro entre os resultados experimentais e os resultados da simulação são: (1) A simplificação do modelo de simulação, como ignorar as conexões dos parafusos e pequenos componentes, leva a pequenas diferenças entre o modelo de simulação e a estrutura real; (2) Os fatores ambientais no experimento, como umidade do ar e temperatura, têm um pequeno impacto na distribuição do campo eletromagnético; (3) O erro de medição do próprio equipamento experimental. Contudo, esses erros estão dentro da faixa aceitável de pesquisa acadêmica e de engenharia, que verifica totalmente a racionalidade e correção do modelo de simulação.

Nesse artigo, um estudo abrangente sobre as características transitórias eletromagnéticas de torres de postes de linhas de transmissão de 500kV sob onda completa de impulso atmosférico é realizado combinando análise teórica, simulação de elementos finitos, e verificação experimental. As principais conclusões da pesquisa são as seguintes:

(1) O sistema teórico de características transitórias eletromagnéticas de torres polares de 500kV sob impulso de raio é construído. A onda completa de impulso relâmpago padrão (1.2/50μs) segue a distribuição da função exponencial dupla, e o processo transitório eletromagnético da torre polar é governado pelas equações de Maxwell. A resposta transitória da torre-pólo é o resultado da ação abrangente da distribuição de tensão e corrente, acoplamento de campo eletromagnético, resposta de isolamento, e mecanismos de resposta de aterramento.

(2) Um modelo de simulação tridimensional de elementos finitos de alta precisão de uma torre de poste de aço angular de 500kV é estabelecido. O modelo considera as características geométricas do corpo da torre, braço cruzado, corda isolante, e dispositivo de aterramento, e define com precisão os parâmetros do material e as condições de contorno. Os resultados da simulação mostram que o modelo pode capturar efetivamente o processo transiente eletromagnético da torre-pólo sob o impulso do raio.

(3) A posição do raio e a resistência de aterramento são os principais fatores que afetam a resposta transitória eletromagnética da torre-pólo. Quando um raio atinge o condutor, a cadeia de isoladores suporta a tensão transitória mais alta (1425kV), que está no estado crítico de flashover; quando um raio atinge a cruzeta, a intensidade do campo eletromagnético perto da cruzeta é a mais alta (6.2×10⁵V/m); quando um raio atinge o topo da torre, a tensão transitória e a corrente no topo da torre são as mais altas. Com o aumento da resistência de aterramento de 5Ω para 20Ω, a tensão transitória na parte inferior da torre aumenta em 277%, e a corrente transitória na rede de aterramento diminui em 38.4%, o que aumenta significativamente o risco de descarga de isolamento.

(4) O campo eletromagnético transitório ao redor da torre polar tem características óbvias de distribuição espacial. Decai exponencialmente com o aumento da distância do corpo da torre, e tem diretividade significativa. A intensidade do campo eletromagnético na direção do raio é maior na mesma distância.

(5) Os resultados da verificação experimental mostram que o erro relativo entre os resultados experimentais e os resultados da simulação é menor que 8%, o que confirma a confiabilidade e precisão do modelo de simulação. Os resultados da pesquisa fornecem uma base teórica e técnica confiável para o projeto de proteção contra descargas atmosféricas de torres polares de linhas de transmissão de 500kV..

Com base nos resultados da pesquisa, as seguintes sugestões de otimização são apresentadas para o projeto de proteção contra raios de torres de postes de linhas de transmissão de 500kV:

(1) Reforçar a proteção das cadeias de isoladores sob condições de queda de raio do condutor. Recomenda-se a instalação de pára-raios de óxido metálico nas cadeias de isoladores das torres-pólo da linha de transmissão de 500kV., especialmente em áreas propensas a raios. O pára-raios pode limitar a sobretensão transitória na cadeia de isoladores, evitar flashover de isolamento, e proteger a corda do isolador e o condutor.

(2) Reduza a resistência de aterramento da torre-pólo. Adotar medidas como ampliação da rede de aterramento, colocação de eletrodos de aterramento horizontais e verticais, e usando agentes redutores de resistência de aterramento para reduzir a resistência de aterramento da torre-pólo para menos de 5Ω. Isto pode efetivamente reduzir a tensão transitória na parte inferior da torre, aumentar a corrente transitória injetada no solo, e melhorar o desempenho da proteção contra raios da torre-pólo.

(3) Otimize a estrutura da torre-pólo. Para as partes superiores da cruzeta e da torre que são propensas a alta intensidade de campo eletromagnético, aumentar adequadamente a área da seção transversal da cantoneira de aço ou usar tubos de aço com melhor condutividade para reduzir a impedância de onda do corpo da torre, reduzindo assim a tensão transitória e a distribuição de corrente. Ao mesmo tempo, projetar razoavelmente o espaçamento entre o braço cruzado e o condutor para aumentar a distância de isolamento.

(4) Fortalecer o monitoramento da proteção contra descargas atmosféricas nas linhas de transmissão. Instale dispositivos de monitoramento de raios nas principais torres de linhas de transmissão de 500 kV para monitorar em tempo real os parâmetros de queda de raios (como pico de corrente relâmpago, forma de onda, posição de ataque) e a resposta transitória da torre-pólo. Isto pode fornecer suporte de dados para a otimização do projeto de proteção contra raios e a manutenção de linhas de transmissão..

Embora este artigo tenha realizado pesquisas aprofundadas sobre as características transitórias eletromagnéticas de torres polares de 500kV sob impulso de raio de onda completa, ainda existem alguns aspectos que precisam ser mais estudados no futuro:

(1) Pesquisa sobre características transitórias eletromagnéticas sob formas de onda de impulso de raio não padronizadas. A iluminação natural inclui frente íngreme, cauda longa, e impulsos de relâmpagos de múltiplos cursos. Pesquisas futuras devem se concentrar na resposta transitória eletromagnética de torres polares sob essas formas de onda não padronizadas, e avaliar de forma abrangente o desempenho da proteção contra raios de torres polares.

(2) Pesquisa sobre a influência de fatores ambientais complexos. A pesquisa atual não considera a influência de fatores ambientais como chuva, neve, e vento nas características transitórias eletromagnéticas da torre-pólo. Pesquisas futuras deverão estabelecer um modelo de simulação considerando fatores ambientais complexos, e analisar a influência desses fatores na resposta transitória da torre-pólo.

(3) Pesquisa sobre acoplamento transiente eletromagnético entre torres-pólo e equipamentos adjacentes. A torre-pólo da linha de transmissão de 500kV é adjacente a equipamentos como torres de comunicação e gabinetes de distribuição de energia. O campo eletromagnético transitório gerado por descargas atmosféricas pode ter efeitos de acoplamento nesses equipamentos adjacentes. Pesquisas futuras deverão estudar a interferência eletromagnética entre torres-polo e equipamentos adjacentes, e apresentar medidas anti-interferência correspondentes.

(4) Desenvolvimento de tecnologia inteligente de proteção contra raios para torres polares. Combinar tecnologias emergentes, como inteligência artificial e big data, para estabelecer um sistema inteligente de proteção contra raios para torres de linhas de transmissão de 500 kV. O sistema pode prever quedas de raios, ajustar medidas de proteção contra raios em tempo real, e melhorar a capacidade ativa de proteção contra raios do sistema de energia.