Абстрактный: В качестве основного компонента высоковольтных линий электропередачи 500 кВ., опорные башни выполняют двойную функцию: опоры проводников и заземления.. Удары молний — одна из главных угроз безопасной и стабильной эксплуатации линий электропередачи, и электромагнитный переходный процесс опорных опор под действием полных волн грозового импульса напрямую влияет на координацию изоляции и конструкцию молниезащиты всей энергосистемы.. В этой статье, проведено комплексное исследование электромагнитных переходных характеристик опор опор линии электропередачи 500 кВ при полной волне грозового импульса путем объединения теоретического анализа, моделирование методом конечных элементов, и экспериментальное тестирование. Первый, разработаны теоретические основы электромагнитных переходных процессов при грозовом импульсе, включая характеристики полных волн грозового импульса, закон распределения электромагнитного поля, и механизм переходного процесса конструкций опорных столбов. Затем, трехмерная конечно-элементная модель угла 500кВ стальной полюс-башня устанавливается с использованием программного обеспечения ANSYS Maxwell, и молниеносный импульс полной волной (1.2/50мкс) применяется для моделирования электромагнитного переходного процесса опорной башни. Характеристики распределения переходного напряжения, переходный ток, и переходное электромагнитное поле опоры-вышки при различных положениях удара молнии (верхняя часть башни, скрещенная рука, и дирижер) и анализируются различные значения сопротивления заземления. Тем временем, по принципу подобия построен уменьшенный экспериментальный макет опорной башни, и проводятся полноволновые испытания грозового импульса для проверки правильности результатов моделирования.. Результаты показывают, что: (1) Положение удара молнии оказывает существенное влияние на электромагнитный переходный процесс опорной башни.. Переходное напряжение и ток на вершине башни являются наибольшими, когда молния ударяет в вершину башни., а напряженность электромагнитного поля вблизи траверсы максимальна, когда молния ударяет в траверсу.. (2) С увеличением сопротивления заземления, переходное напряжение на каждой части опоры-вышки значительно возрастает, и скорость затухания переходного тока уменьшается, что увеличивает риск пробоя изоляции. (3) Переходное электромагнитное поле вокруг опорной башни экспоненциально затухает с увеличением расстояния., и напряженность электромагнитного поля на том же расстоянии наибольшая в направлении удара молнии. (4) Результаты моделирования хорошо согласуются с экспериментальными результатами., с погрешностью менее 8%, который проверяет надежность установленной конечно-элементной модели. Данное исследование обеспечивает теоретическую основу и техническую поддержку для оптимизации проектирования молниезащиты., координация изоляции, и безопасная эксплуатация опор ЛЭП 500кВ.

Ключевые слова: 500линия электропередачи кВ; столб-башня; Импульс молнии, полная волна; электромагнитный переходный процесс; моделирование методом конечных элементов; экспериментальная проверка

В связи с бурным развитием электроэнергетики, 500Высоковольтные линии электропередачи кВ стали важной частью национальной энергосистемы., выполнение важной задачи по передаче электроэнергии на большие расстояния и большой мощности.. Безопасная и стабильная работа линий электропередачи 500 кВ напрямую связана с надежностью всей энергосистемы и нормальной работой общественного производства и жизни.. Однако, удары молний являются одним из важнейших стихийных бедствий, угрожающих безопасной эксплуатации линий электропередачи.. По статистике, На долю повреждений, вызванных молниями, приходится более 40% общего количества повреждений высоковольтных линий электропередачи, и в некоторых грозоопасных районах, эта доля может даже достигать более 60% [1]. При ударе молнии на линии электропередачи или опорной вышке, возникнет сильный грозовой импульс, полная волна, что вызовет сложные электромагнитные переходные явления в конструкции опорной башни.. Эти переходные явления вызовут перенапряжение и перегрузку по току в мачте и прикрепленном к ней оборудовании., что может привести к перекрытию изоляции, повреждение оборудования, и даже отключения электроэнергии, что приводит к огромным экономическим потерям и социальным последствиям. [2-3].

В качестве ключевого поддерживающего и заземляющего компонента линии электропередачи., Электромагнитная переходная реакция опорной башни при полноволновом импульсе молнии является основным вопросом при проектировании молниезащиты линии электропередачи.. Столб-вышка обычно изготавливается из угловой стали., стальная труба, или бетон, и его структура сложна, с участием нескольких компонентов, таких как корпус башни, скрещенная рука, изоляционная струна, и заземляющее устройство. Когда ударяет молния, на электромагнитный переходный процесс опорной башни влияет множество факторов, например, позиция удара молнии, параметры тока молнии, сопротивление заземления, и конструкция столб-башни [4]. Следовательно, углубленное исследование электромагнитных переходных характеристик опор 500 кВ под действием полноволнового грозового импульса, освоение закона распределения переходного напряжения, текущий, и электромагнитное поле, и выяснение влияния различных факторов на переходные процессы имеют большое значение для оптимизации конструкции молниезащиты опорных вышек., повышение уровня координации изоляции энергосистемы, и обеспечение безопасной и стабильной работы линий электропередачи 500 кВ..

В последние годы, с постоянным совершенствованием технологий компьютерного моделирования и технологий экспериментальных испытаний, исследования электромагнитных переходных характеристик силового оборудования под действием грозового импульса достигли большого прогресса. Однако, из-за сложной конструкции опор 500 кВ и сильной случайности ударов молний, еще предстоит решить много проблем в исследовании электромагнитных переходных характеристик опорных опор.: (1) Существующие исследования в основном сосредоточены на характеристиках молниезащиты всей линии электропередачи., а исследования электромагнитных переходных процессов самой опорной башни недостаточно глубоки; (2) Влияние различных положений удара молнии и значений сопротивления заземления на переходные электромагнитные характеристики опоры систематически не изучалось.; (3) Точность имитационной модели должна быть подтверждена более надежными экспериментальными данными.. Следовательно, необходимо провести комплексное и углубленное исследование электромагнитных переходных характеристик опор опор линии электропередачи 500 кВ при грозовом импульсе полной волны..

Зарубежные учёные ранее провели множество исследований по молниезащите линий электропередачи и электромагнитным переходным характеристикам опорных опор.. В 1970-е годы, такие ученые, как Вагнер, первыми предложили теорию бегущей волны грозового перенапряжения., заложивший теоретическую основу для изучения электромагнитных переходных процессов столбовых вышек. [5]. С развитием компьютерных технологий, методы моделирования методом конечных элементов широко использовались при изучении электромагнитных переходных процессов в опорах с опорами.. Например, Д'Алессандро и др.. создал двумерную конечно-элементную модель опоры линии электропередачи с помощью программного обеспечения COMSOL Multiphysicals, смоделировал электромагнитный переходный процесс под действием грозового импульса, и проанализировали закон распределения переходного напряжения и тока [6]. Петраче и др.. изучили влияние параметров тока молнии на электромагнитный переходный процесс столбовых вышек посредством моделирования и эксперимента., и предложил схему оптимизации конструкции молниезащиты опорных вышек. [7]. К тому же, зарубежные учёные также провели множество исследований по характеристикам заземления опорных вышек при грозовом импульсе., и изучили влияние сопротивления заземления и структуры заземляющей сетки на переходный процесс. [8-9].

В последние годы быстро развиваются отечественные исследования электромагнитных переходных характеристик опор линий электропередачи 500 кВ под воздействием грозового импульса.. Многие университеты и научно-исследовательские институты провели глубокие исследования в этой области.. Например, Ван и др.. создал трехмерную модель конечных элементов угловой стальной опоры на напряжение 500 кВ с использованием программного обеспечения ANSYS., смоделировал переходный процесс грозового импульса, и проанализировали распределение переходного электромагнитного поля вокруг опорной башни. [10]. Ли и др.. построил уменьшенную экспериментальную модель опорной башни., проведены полноволновые испытания грозового импульса, и изучили переходные характеристики напряжения опорной башни при различных положениях удара молнии. [11]. Чжан и др.. изучили влияние сопротивления заземления на электромагнитные переходные процессы опор 500 кВ посредством моделирования и эксперимента., и предложил метод снижения сопротивления заземления для улучшения характеристик молниезащиты. [12]. Однако, в существующих отечественных исследованиях все еще имеются некоторые недостатки: (1) Имитационная модель недостаточно детализирована., и влияние некоторых тонких конструкций столб-башни (например, соединение угловых сталей и изоляционной колонны) на переходный процесс не учитывается; (2) Систематичность экспериментальных исследований не сильна., и проверка имитационной модели не является комплексной; (3) Исследования механизма электромагнитной переходной связи между опорой-башней и проводником недостаточно глубоки..

Основными целями данной статьи являются: (1) Разработать теоретические основы электромагнитных переходных характеристик опор опор линии электропередачи 500 кВ под действием полноволнового грозового импульса., включая характеристики полных волн грозового импульса, закон распределения электромагнитного поля, и механизм переходного отклика; (2) Создать высокоточную трехмерную конечно-элементную модель угловой стальной опорной башни напряжением 500 кВ., и смоделировать электромагнитный переходный процесс под действием полной волны грозового импульса.; (3) Анализировать характеристики распределения переходного напряжения., переходный ток, и переходное электромагнитное поле опоры-вышки при различных факторах воздействия (позиция удара молнии, сопротивление заземления); (4) Построить уменьшенную экспериментальную модель опоры-башни., провести полноволновые испытания грозового импульса, и проверить корректность имитационной модели; (5) По результатам исследований разработать предложения по оптимизации конструкции молниезащиты опор ЛЭП 500кВ..

В сферу исследования данной статьи входит: (1) Угловая стальная опора на напряжение 500 кВ, широко используемая в технике.; (2) Полноволновой импульс молнии с параметрами 1,2/50 мкс. (время фронта/время полупика) что соответствует стандарту IEC; (3) Три типичных положения удара молнии: верхняя часть башни, скрещенная рука, и дирижер; (4) Четыре типичных значения сопротивления заземления: 5Ой, 10Ой, 15Ой, и 20 Ом; (5) Электромагнитные переходные характеристики опоры-вышки, включая переходное напряжение, переходный ток, и переходное распределение электромагнитного поля.

Данная статья разделена на шесть глав. Глава 1 это введение, в котором подробно излагаются предпосылки и значимость исследования., обобщает статус исследований в стране и за рубежом, уточняет цели и объем исследования, и знакомит со структурой диссертации. Глава 2 знакомит с теоретическими основами электромагнитных переходных процессов под действием грозового импульса., включая характеристики полных волн грозового импульса, основная теория электромагнитных переходных процессов, и механизм переходного процесса конструкций опорных столбов. Глава 3 описывает создание имитационной модели методом конечных элементов опорной башни 500 кВ., включая упрощение модели, параметры материала, граничные условия, и нагружение молниеносным импульсом полными волнами. Глава 4 анализирует результаты моделирования электромагнитных переходных характеристик опоры-опоры при различных воздействующих факторах. Глава 5 знакомит с разработкой и реализацией экспериментальной модели уменьшенного масштаба., и проверяет результаты моделирования посредством экспериментальных испытаний. Глава 6 это заключение и перспектива, в котором обобщены основные результаты исследования, выдвигает предложения по оптимизации конструкции молниезащиты опор 500 кВ, и с нетерпением ожидает дальнейшего направления исследований.

Импульс молнии – это разновидность переходного перенапряжения небольшой продолжительности и большой амплитуды.. Полноволновая волна грозового импульса обычно определяется двумя параметрами:: переднее время (Т1) и время полупика (Т2). По данным МЭК 60060-1 стандарт, стандартный грозовой импульс с полной волной имеет время фронта 1,2 мкс. (допуск ±30%) и полупиковое время 50 мкс (допуск ±20%), что записывается как 1,2/50 мкс [13]. Форма стандартной полной волны грозового импульса показана на рисунке. 1.

Математическое выражение стандартной полной волны грозового импульса можно описать двойной экспоненциальной функцией. [14]:

где: \( У_м \) пиковое значение грозового импульсного напряжения; \( \тау_1 \) постоянная времени фронта, который определяет крутизну волнового фронта; \( \тау_2 \) постоянная времени хвоста, что определяет длительность хвоста волны; \( T \) пора ли.

Пиковое значение грозового импульсного напряжения, генерируемого естественной молнией, может достигать от сотен киловольт до миллионов киловольт., а пиковое значение тока молнии может достигать десятков килоампер и сотен килоампер.. Для линий электропередачи 500кВ, уровень грозового импульсного напряжения обычно составляет 1425 кВ., который определяется в соответствии с требованиями координации изоляции энергосистемы [15]. Когда происходит удар молнии, Полная волна грозового импульса будет направлена ​​в опорную башню через точку удара, а затем распространился по корпусу башни на землю, вызывая сложные электромагнитные переходные явления.

В дополнение к стандартному полноволновому сигналу 1,2/50 мкс, в природе существуют также грозовые импульсы с крутым фронтом и длиннохвостые грозовые импульсы.. Импульс молнии с крутым фронтом имеет более короткое время фронта. (менее 1 мкс) и более высокая крутизна волнового фронта, что оказывает большее влияние на изоляцию опоры-вышки. Импульс молнии с длинным хвостом имеет более длительное полупиковое время. (более 50 мкс), которые могут привести к кумулятивному повреждению оборудования. Однако, стандартный грозовой импульс длительностью 1,2/50 мкс является наиболее репрезентативным., поэтому в этой статье основное внимание уделяется электромагнитным переходным характеристикам опорной башни при этой форме волны..

Электромагнитный переходный процесс опоры-вышки под действием грозового импульса представляет собой сложную задачу связи электромагнитного поля., которое следует уравнениям Максвелла [16]. Уравнения Максвелла — это фундаментальные уравнения, описывающие электромагнитное поле., включая закон Гаусса для электричества, Закон Гаусса для магнетизма, Закон электромагнитной индукции Фарадея, и закон Ампера-Максвелла. Дифференциальная форма уравнений Максвелла имеет следующий вид::

где: \( \век{D} \) вектор электрического смещения; \( \rho_v \) объемная плотность заряда; \( \век{В} \) - интенсивность магнитной индукции; \( \век{Э} \) напряженность электрического поля; \( \век{ЧАС} \) напряженность магнитного поля; \( \век{J} \) плотность тока; \( T \) пора ли.

При анализе электромагнитных переходных процессов опорной башни, конструкция столб-башни обычно рассматривается как проводник, а окружающая среда — воздух. Определяющие отношения проводника и воздуха таковы::

где: \( \варепсилон \) диэлектрическая проницаемость; \( \в \) это проницаемость; \( \сигма \) проводимость.

Когда полная волна грозового импульса попадает в опорную башню, в корпусе башни будет генерироваться изменяющийся во времени ток, который будет возбуждать изменяющееся во времени электромагнитное поле вокруг опорной башни.. Изменяющееся во времени электромагнитное поле будет индуцировать вихревые токи в проводнике опорной башни., и между корпусом башни будет электромагнитная связь, скрещенная рука, изоляционная струна, и дирижер. Электромагнитный переходный процесс опоры-вышки является результатом взаимодействия введенного грозового импульса, электромагнитное поле, и конструкция столб-башни.

Конструкция башни-столба представляет собой сложную пространственную ферменную конструкцию, состоящую из нескольких уголков, соединенных болтами.. Когда молния ударяет в столб-башню, Механизм переходного процесса опорной башни в основном включает в себя следующие аспекты::

(1) Механизм распределения напряжения и тока: Импульсное напряжение молнии, подаваемое из точки удара, будет распределяться по корпусу башни.. За счет распределенной емкости и индуктивности корпуса башни, напряжение и ток будут иметь эффект бегущей волны в процессе распространения. Волновое сопротивление корпуса башни является важным параметром, влияющим на распределение напряжения и тока.. Волновое сопротивление угловой стальной мачты обычно составляет от 100 до 300 Ом., что связано с площадью поперечного сечения корпуса башни, расстояние между уголками, и высота башни [17].

(2) Механизм связи электромагнитного поля: Изменяющийся во времени ток в теле башни будет генерировать изменяющееся во времени электромагнитное поле вокруг опоры-башни.. Электромагнитное поле будет индуцировать напряжение и ток в соседних проводниках и металлических компонентах., что такое эффект электромагнитной индукции. В то же время, электромагнитное поле также будет взаимодействовать с заземляющим устройством опоры-вышки, влияние на ток заземления и напряжение заземления [18].

(3) Механизм реакции изоляции: Изоляционная полоса между опорой и проводником является важным изоляционным компонентом.. Под действием грозового импульса перенапряжения, цепочка изолятора будет выдерживать высокое переходное напряжение. Если переходное напряжение превышает прочность изоляции изоляционной цепочки, произойдет перекрытие изоляции, приводящее к короткому замыканию между проводником и опорой-вышкой [19].

(4) Механизм срабатывания заземления: Заземляющее устройство опоры-вышки служит для направления тока молнии в землю и снижения заземляющего напряжения.. Под действием грозового импульса, сопротивление заземления заземляющего устройства будет иметь переходные характеристики. За счет скин-эффекта и ионизации почвы, переходное сопротивление заземления обычно меньше, чем установившееся сопротивление заземления., но закон изменений сложен [20]. Реакция заземления напрямую влияет на скорость затухания тока молнии и распределение переходного напряжения на опоре-опоре..

Резюме, Электромагнитная переходная реакция опорной башни на импульс молнии является комплексным результатом множества механизмов, таких как распределение напряжения и тока., связь с электромагнитным полем, реакция изоляции, и реакция заземления. Для точного анализа электромагнитных переходных характеристик опоры-вышки., необходимо всесторонне рассмотреть эти механизмы и создать обоснованную математическую модель и имитационную модель..

Угловая стальная опора на напряжение 500 кВ, рассматриваемая в этой статье, представляет собой типичную опору типа 猫头., общей высотой 45 м., ширина основания 8 м., и длина поперечного рычага 12 м.. Корпус башни изготовлен из угловой стали Q355., с разными размерами поперечного сечения на разной высоте. Траверса также изготовлена ​​из угловой стали Q355., и изоляционная струна изготовлена ​​из армированного стекловолокном пластика.. Благодаря сложной конструкции опоры-вышки, необходимо упростить модель в процессе конечно-элементного моделирования для повышения эффективности расчета исходя из обеспечения точности расчета.

Основные меры по упрощению заключаются в следующем.: (1) Не обращайте внимания на болтовые соединения между уголками., и предположим, что связи жесткие; (2) Упростите изоляционную цепочку как цилиндрический изолятор с тем же эквивалентным диаметром и длиной.; (3) Не обращайте внимания на мелкие компоненты, такие как опорная пластина башни и кабельный зажим., которые мало влияют на электромагнитный переходный процесс; (4) Заземляющее устройство упрощенно представляет собой горизонтальную заземляющую решетку длиной 20м., ширина 20м, и глубина захоронения 0,8м., а заземляющий проводник - круглый стальной диаметром 12мм..

На основе вышеуказанных мер по упрощению, трехмерная геометрическая модель опоры 500 кВ создана с помощью программного обеспечения ANSYS DesignModeler. Геометрическая модель включает в себя корпус башни., скрещенная рука, изоляционная струна, проводник, и заземляющее устройство. Провод представляет собой провод передачи переменного тока напряжением 500 кВ диаметром 25 мм.. Модель представлена ​​на рисунке 2.

Основные материалы, использованные в модели опорной башни, включают сталь Q355. (башенный корпус, скрещенная рука, заземляющий проводник), пластик, армированный стекловолокном (изоляционная струна), воздух (окружающая среда), и почва (заземляющая среда). Параметры материала приведены в таблице 1.

материал	Проводимость σ (См/м)	Диэлектрическая проницаемость ε (ж/м)	Проницаемость мкм (Ч/м)	Плотность ρ (кг/м³)
Q355 Сталь	5.8×10⁶	8.85×10⁻¹²	4π×10⁻⁷	7850
Пластик, армированный стекловолокном	1×10⁻¹²	3.54×10⁻¹¹	4π×10⁻⁷	1800
Воздух	1×10⁻¹⁵	8.85×10⁻¹²	4π×10⁻⁷	1.29
Земля	0.01	1.77×10⁻¹⁰	4π×10⁻⁷	1800

Следует отметить, что на проводимость почвы влияют такие факторы, как тип почвы., содержание влаги, и температура. В этой статье, проводимость почвы принимается как 0.01 См/м, что представляет собой среднее значение для суглинистого грунта, обычно используемого в технике [21]. Диэлектрическая проницаемость армированного стекловолокном пластика равна 4 раз больше, чем у воздуха, который определяется в соответствии с параметрами материала, указанными производителем.

Создание сетки — ключевой шаг в моделировании методом конечных элементов., что напрямую влияет на точность расчета и эффективность расчета. Создание сетки модели опорной башни осуществляется с помощью программного обеспечения ANSYS Meshing.. Учитывая сложную конструкцию опоры-вышки и высокие требования к точности расчета электромагнитного поля вблизи корпуса опоры, приняты следующие стратегии создания сетки:

(1) Используйте тетраэдральную сетку для тела башни., скрещенная рука, изоляционная струна, проводник, и заземляющее устройство, который может адаптироваться к сложной геометрической форме; (2) Используйте шестигранную сетку для областей воздуха и почвы., который имеет более высокую точность и эффективность вычислений; (3) Выполните уточнение сетки для областей с большим градиентом электромагнитного поля., например, точка удара молнии, соединение корпуса башни и траверсы, и сетка заземления; (4) Контролируйте максимальный размер сетки: максимальный размер ячейки корпуса башни и траверсы составляет 0,5 м., максимальный размер ячейки изоляционной струны и проводника составляет 0,2 м., максимальный размер ячеек заземляющей сетки составляет 0,3 м., а максимальный размер ячейки воздушной и почвенной областей составляет 2 м..

После создания сетки, общее количество элементов сетки модели равно 1,256,800, а общее количество узлов равно 2,345,600. Качество сетки проверено, и среднее соотношение сторон равно 1.8, который отвечает требованиям расчета методом конечных элементов.

3.4.1 Граничные условия

Граничные условия имитационной модели задаются следующим образом.: (1) Дальняя граница задана для воздушной области. Граница дальнего поля представляет собой неотражающую границу., который может имитировать бесконечное расширение воздуха и избегать отражения электромагнитных волн на границе, влияние на результаты моделирования; (2) Наземная граница задается для почвенного региона. Граница заземления устанавливается как идеальная граница проводника., если предположить, что почва бесконечно глубока, и электромагнитные волны полностью поглощаются почвой; (3) Граница симметрии не задана, потому что удар молнии - это несимметричная нагрузка, и электромагнитный переходный процесс опорной башни также асимметричен..

3.4.2 Загрузка настроек

Полноволновой импульс молнии загружается как источник напряжения в точке удара.. По тематике исследования настоящей статьи, выбраны три типичных положения удара молнии: (1) Верхняя часть башни: источник напряжения нагружен в верхнем узле корпуса башни; (2) Поперечина: источник напряжения нагружается в конечном узле траверсы; (3) проводник: источник напряжения нагружен в среднем узле проводника.

Параметры полной волны грозового импульса устанавливаются в соответствии с МЭК. 60060-1 стандарт: время фронта 1,2 мкс, полупиковое время 50 мкс, и пиковое напряжение 1425кВ (уровень грозового импульсного напряжения линий электропередачи 500кВ). Форма сигнала напряжения генерируется с использованием двойной экспоненциальной функции в программном обеспечении ANSYS Maxwell., а шаг по времени установлен на 0,01 мкс, чтобы обеспечить точную регистрацию переходного процесса.. Время моделирования установлено на 200 мкс., который охватывает весь процесс полной волны грозового импульса от нарастания до затухания..

К тому же, сопротивление заземления моделируется путем добавления границы сопротивления на заземляющую сетку. Четыре различных значения сопротивления заземления (5Ой, 10Ой, 15Ой, и 20 Ом) предназначены для изучения влияния сопротивления заземления на электромагнитный переходный процесс опоры-вышки.

Расчет моделирования проводится с использованием модуля переходного электромагнитного поля программного обеспечения ANSYS Maxwell.. Решатель настроен на решатель во временной области., который подходит для моделирования переходного электромагнитного поля с изменяющимися во времени характеристиками. Метод расчета – метод конечных элементов., который дискретизирует область решения на большое количество конечных элементов, и решает уравнения Максвелла в каждом элементе, чтобы получить распределение электромагнитного поля.

В процессе расчета, установлены следующие параметры: (1) Начальное состояние равно нулю, то есть, начальная напряженность электрического поля и напряженность магнитного поля в области решения равны нулю; (2) Критерий сходимости установлен равным 1×10⁻⁶, что обеспечивает точность расчета; (3) Аппаратное ускорение включено, использование графического процессора для ускорения вычислений, что повышает эффективность вычислений.

После симуляционного расчета, переходное напряжение, переходный ток, и распределение переходного электромагнитного поля каждой части опорной башни в разное время можно получить с помощью модуля постобработки программного обеспечения ANSYS Maxwell..

Фигура 3 показывает форму переходного напряжения в различных частях опорной башни, когда молния ударяет в вершину опоры. (сопротивление заземления 10 Ом). Это видно из рисунка 3 что переходное напряжение каждой части опорной башни быстро увеличивается с нарастанием полной волны грозового импульса., достигает пикового значения примерно за 1,2 мкс, а затем постепенно затухает с затуханием хвоста волны.

Пиковые значения переходного напряжения на разных участках следующие:: верхняя часть башни 1425кВ (равно пиковому значению нагруженного грозового импульсного напряжения), середина корпуса башни (22.5м высота) 785 кВ, нижняя часть корпуса башни (0м высота) 125 кВ, конец траверсы 650кВ, и изоляционная цепочка составляет 580 кВ.. Переходное напряжение постепенно снижается от верха башни к низу башни., это связано с тем, что корпус башни имеет определенное волновое сопротивление, а напряжение грозового импульса затухает в процессе распространения по корпусу башни.

Переходное напряжение на гирлянде изоляторов — это напряжение между траверсой и проводником.. Когда молния ударяет в вершину башни, траверса находится под высоким переходным напряжением, пока в проводник не попадает молния напрямую, таким образом, переходное напряжение на изоляционной цепочке представляет собой разницу между переходным напряжением траверсы и проводника.. Пиковое значение переходного напряжения на гирлянде изоляторов составляет 580 кВ., что меньше прочности изоляции гирлянды изоляторов на напряжение 500 кВ. (1425кВ), поэтому не происходит пробоя изоляции.

Фигура 4 показывает форму волны переходного тока в различных частях опорной башни, когда молния ударяет в вершину башни. (сопротивление заземления 10 Ом). Переходный ток каждой части опорной башни также быстро увеличивается с нарастанием полной волны грозового импульса., достигает пикового значения примерно за 1,5 мкс, а потом постепенно затухает.

Пиковые значения переходного тока на разных участках следующие:: вершина башни 14,25кА, середина корпуса башни 12,8кА, нижняя часть корпуса башни 11,5кА, и заземляющая сетка 11,5кА. Переходный ток немного уменьшается от верха башни к низу башни., это связано с тем, что небольшая часть тока утекает в землю через распределенную емкость корпуса башни. Переходный ток заземляющей сетки равен переходному току в нижней части корпуса опоры., что указывает на то, что весь ток в нижней части корпуса башни инжектируется в землю через заземляющую сетку..

Форма сигнала переходного тока немного отличается от формы переходного напряжения.. Пиковое время переходного тока позже, чем время переходного напряжения., это связано с тем, что индуктивность корпуса опоры и заземляющей сетки приводит к отставанию тока от напряжения.

Фигура 5 показано распределение переходного электромагнитного поля вокруг опорной башни при t = 1,2 мкс. (пиковое время переходного напряжения) когда молния ударяет в вершину башни (сопротивление заземления 10 Ом). Напряженность электромагнитного поля самая высокая вблизи вершины башни., с пиковым значением 5,8×10⁵ В/м (напряженность электрического поля) и 1,5×10³ А/м (напряженность магнитного поля).

Переходное электромагнитное поле вокруг опорной башни экспоненциально затухает с увеличением расстояния.. Когда расстояние от корпуса башни составляет 5 м., напряженность электрического поля 1,2×10⁵ В/м., а напряженность магнитного поля 3,2×10² А/м.; когда расстояние 10 метров, напряженность электрического поля 2,8×10⁴ В/м., а напряженность магнитного поля 7,5×10¹ А/м.; когда расстояние 20 метров, напряженность электрического поля 6,8×10³ В/м., а напряженность магнитного поля 1,8×10¹ А/м.. Этот закон распределения согласуется с характеристиками ближнепольной электромагнитной волны, генерируемой переходным током.

К тому же, напряженность электромагнитного поля имеет очевидную направленность. Напряженность электромагнитного поля в направлении удара молнии (вертикальное направление) выше, чем в горизонтальном направлении, это связано с тем, что переходный ток в корпусе башни в основном вертикальный., и электромагнитное поле, создаваемое вертикальным током, сильнее в вертикальном направлении..

Фигура 6 показывает форму переходного напряжения в различных частях опорной башни, когда молния ударяет в траверсу. (сопротивление заземления 10 Ом). По сравнению с ударом молнии на вершине башни, переходное напряжение траверсы самое высокое, с пиковым значением 1425кВ. Переходное напряжение на вершине башни составляет 980 кВ., середина корпуса башни - 560 кВ., нижняя часть корпуса башни 105кВ, и изоляционная цепочка - 850 кВ..

Переходное напряжение на гирлянде изолятора значительно выше, чем при ударе молнии в вершину башни.. Это потому, что когда молния ударяет в поперечину, траверса находится непосредственно на пиковом напряжении грозового импульса, и проводник находится близко к траверсе, поэтому разница напряжений между поперечиной и проводником больше. Пиковое значение переходного напряжения на гирлянде изоляторов составляет 850 кВ., что все же меньше прочности изоляции гирлянды изоляторов, поэтому не происходит пробоя изоляции. Однако, если напряжение грозового импульса выше или изоляционные характеристики изоляционной цепочки снижены, может произойти перекрытие изоляции.

Фигура 7 показывает форму волны переходного тока в различных частях опорной башни, когда молния ударяет в траверсу. (сопротивление заземления 10 Ом). Пиковое значение переходного тока в поперечном плече составляет 14,25 кА., вершина башни 4,8кА, середина корпуса башни 9,5кА, нижняя часть корпуса башни 11,2кА, и заземляющая сетка 11,2кА.

По сравнению с ударом молнии на вершине башни, переходный ток наверху башни значительно меньше, в то время как переходный ток в середине корпуса башни немного меньше. Это потому, что когда молния ударяет в поперечину, ток делится на две части: одна часть течет к вершине башни, а другая часть стекает в низ башни. Из-за более высокого волнового сопротивления вершины башни, большая часть тока течет к нижней части башни и вводится в землю через заземляющую сетку..

Фигура 8 показано распределение переходного электромагнитного поля вокруг опорной башни при t = 1,2 мкс, когда молния ударяет в траверсу. (сопротивление заземления 10 Ом). Напряженность электромагнитного поля вблизи траверсы самая высокая., с пиковым значением 6,2×10⁵ В/м (напряженность электрического поля) и 1,6×10³ А/м (напряженность магнитного поля), что выше, чем при ударе молнии в вершину башни.

Переходное электромагнитное поле вокруг опорной башни также экспоненциально затухает с увеличением расстояния.. Когда расстояние от траверсы составляет 5 м., напряженность электрического поля 1,3×10⁵ В/м., а напряженность магнитного поля 3,4×10² А/м.; когда расстояние 10 метров, напряженность электрического поля 3,0×10⁴ В/м., а напряженность магнитного поля 7,8×10¹ А/м.. Направленность электромагнитного поля также очевидна., а напряженность электромагнитного поля в направлении, перпендикулярном траверсе, выше, чем в других направлениях..

Фигура 9 показывает форму переходного напряжения в различных частях опоры при попадании молнии в проводник. (сопротивление заземления 10 Ом). Когда молния ударяет в проводник, переходное напряжение проводника 1425кВ, изоляторная цепочка 1425 кВ (равно напряжению проводника), траверса 575кВ, верхняя часть башни 480 кВ, середина корпуса башни - 320 кВ., и нижняя часть корпуса башни 85кВ.

Переходное напряжение на изоляционной цепочке является максимальным при ударе молнии в проводник., что равно пиковому значению напряжения грозового импульса. Это связано с тем, что в проводник непосредственно попадает молния., а изоляционная струна выдерживает полное напряжение грозового импульса.. Пиковое значение переходного напряжения на гирлянде изоляторов составляет 1425 кВ., которая равна прочности изоляции гирлянды изоляторов. В это время, изоляционная цепочка находится в критическом состоянии перекрытия изоляции. Если напряжение грозового импульса несколько выше, произойдет перекрытие изоляции, приводящее к короткому замыканию между проводником и траверсой.

Фигура 10 показывает форму волны переходного тока в различных частях опорной башни, когда молния ударяет в проводник. (сопротивление заземления 10 Ом). Пиковое значение переходного тока в проводнике составляет 14,25 кА., изоляционная цепочка 14,25 кА, траверса 12,5 кА, вершина башни 3,2кА, середина корпуса башни 9,8кА, нижняя часть корпуса башни 11,0кА, и заземляющая сетка 11,0кА.

Когда молния ударяет в проводник, ток передается на траверсу через изоляционную цепочку, потом разделил на две части: одна часть течет к вершине башни, а другая часть стекает в низ башни. Ток, текущий к нижней части башни, подается в землю через заземляющую решетку.. Переходный ток в поперечном плече немного меньше, чем в проводнике., это связано с тем, что небольшая часть тока утекает в воздух через распределенную емкость траверсы.

Фигура 11 показано распределение переходного электромагнитного поля вокруг опоры-вышки при t = 1,2 мкс, когда молния ударяет в проводник. (сопротивление заземления 10 Ом). Напряженность электромагнитного поля вблизи проводника и струны изолятора самая высокая., с пиковым значением 6,5×10⁵ В/м (напряженность электрического поля) и 1,7×10³ А/м (напряженность магнитного поля), что выше, чем при ударе молнии в вершину башни и траверсу.

Переходное электромагнитное поле вокруг опорной башни экспоненциально затухает с увеличением расстояния.. При расстоянии от проводника 5 м., напряженность электрического поля 1,4×10⁵ В/м., а напряженность магнитного поля 3,6×10² А/м.; когда расстояние 10 метров, напряженность электрического поля 3,2×10⁴ В/м., а напряженность магнитного поля 8,2×10¹ А/м.. Электромагнитное поле в направлении, параллельном проводнику, выше, чем в других направлениях..

Изучить влияние сопротивления заземления на электромагнитные переходные характеристики опоры-вышки., четыре различных значения сопротивления заземления (5Ой, 10Ой, 15Ой, и 20 Ом) выбраны, и положение удара молнии зафиксировано на вершине башни. Изменение пикового значения переходного напряжения и тока на разных участках опоры-опоры с сопротивлением заземления показано в таблице. 2.

Сопротивление заземления (Ой)	Пиковое переходное напряжение на вершине башни (кВ)	Пиковое переходное напряжение в нижней части башни (кВ)	Пиковый переходный ток на вершине башни (тот)	Пиковый переходный ток в заземляющей сетке (тот)
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

Это видно из таблицы 2 что пиковое значение переходного напряжения наверху опоры не зависит от сопротивления заземления, которое всегда равно пиковому значению нагруженного грозового импульсного напряжения. Однако, пиковое значение переходного напряжения в нижней части опоры значительно увеличивается с увеличением сопротивления заземления. Когда сопротивление заземления увеличивается с 5 Ом до 20 Ом., пиковое значение переходного напряжения внизу башни увеличивается с 65 кВ до 245 кВ, увеличение 277%.

Пиковое значение переходного тока на вершине башни также не зависит от сопротивления заземления., при этом пиковое значение переходного тока на заземляющей сетке уменьшается с увеличением сопротивления заземлителя. Когда сопротивление заземления увеличивается с 5 Ом до 20 Ом., пиковое значение переходного тока в заземляющей сетке снижается с 13,8кА до 8,5кА, уменьшение 38.4%. Это связано с тем, что увеличение сопротивления заземления увеличивает сопротивление заземляющего контура., уменьшение тока, вводимого в землю.

Увеличение переходного напряжения внизу опоры и уменьшение переходного тока в заземляющей сетке увеличит риск пробоя изоляции опоры-вышки и прикрепленного к ней оборудования.. Следовательно, уменьшение сопротивления заземления является эффективной мерой повышения молниезащиты опорной башни..

На основе приведенного выше анализа моделирования, Основные выводы о электромагнитных переходных характеристиках опорной башни 500 кВ при полной волне грозового импульса следующие::

(1) Положение удара молнии оказывает существенное влияние на электромагнитный переходный процесс опорной башни.. Когда молния ударяет в проводник, переходное напряжение на цепочке изоляторов самое высокое, который находится в критическом состоянии перекрытия изоляции; когда молния ударяет в поперечину, напряженность электромагнитного поля вблизи траверсы самая высокая; когда молния ударяет в вершину башни, переходное напряжение и ток на вершине башни самые высокие.

(2) Переходное напряжение опоры-вышки постепенно снижается от точки удара до нижней части опоры., и переходный ток также немного уменьшается. Переходное электромагнитное поле вокруг опорной башни экспоненциально затухает с увеличением расстояния., и имеет очевидную направленность.

(3) Сопротивление заземления оказывает существенное влияние на электромагнитный переходный процесс опорной башни.. С увеличением сопротивления заземления, переходное напряжение в нижней части башни значительно возрастает, и переходный ток в заземляющей сетке уменьшается, что увеличивает риск пробоя изоляции.

(4) Изоляционная цепочка выдерживает наибольшее переходное напряжение при ударе молнии в проводник., что является наиболее опасным условием работы для изоляционной цепочки. Следовательно, в конструкции молниезащиты опоры-вышки, особое внимание следует уделить защите гирлянды изолятора при попадании молнии в проводник..

Чтобы проверить правильность имитационной модели методом конечных элементов., по принципу подобия построен уменьшенный экспериментальный макет опорной опоры 500 кВ. Принцип подобия требует, чтобы геометрические параметры, параметры материала, и нагрузочные параметры уменьшенной модели аналогичны прототипу. [22]. Соотношение масштабов уменьшенной модели и прототипа установлено равным 1:20, который определяется в зависимости от размера лаборатории и мощности генератора грозовых импульсов..

Геометрические параметры уменьшенной модели следующие:: общая высота корпуса башни 2,25м., ширина основания 0,4м., длина поперечного рычага 0,6 м.. Корпус башни и поперечина изготовлены из угловой стали Q235 с размером поперечного сечения 5 мм × 5 мм × 0,5 мм.. Струна изолятора изготовлена ​​из органического стекла диаметром 2 мм и длиной 50 мм.. Проводник представляет собой медную проволоку диаметром 1,25 мм.. Заземляющее устройство представляет собой горизонтальную заземляющую решетку длиной 1м., ширина 1м, и глубина захоронения 0,04м., а заземляющий проводник - медный провод диаметром 0,6мм..

С точки зрения соответствия параметров материала, по принципу подобия, относительная диэлектрическая проницаемость, относительная проницаемость и проводимость материала должны оставаться в соответствии с прототипом для обеспечения подобия электромагнитных характеристик.. Сталь Q235, используемая в уменьшенной модели, имеет проводимость 5,0×10⁶ См/м., что близко к 5,8×10⁶ См/м стали Q355 в прототипе., и разница находится в пределах допустимой погрешности эксперимента.. Относительная диэлектрическая проницаемость органического стекла равна 3.2, что близко к 4.0 из стеклопластика по прототипу, и может удовлетворить требования моделирования характеристик изоляции. Почва, использованная в эксперименте, представляет собой суглинок с проводимостью 0.01 См/м, который совпадает с заданным в имитационной модели.

Для согласования параметров нагрузки, полная волна грозового импульса, примененная к модели уменьшенного масштаба, должна удовлетворять коэффициенту подобия напряжения. По соотношению геометрического масштаба 1:20, коэффициент масштабирования напряжения также 1:20. Следовательно, пиковое значение грозового импульсного напряжения, приложенного к уменьшенной модели, составляет 1425 кВ. / 20 = 71,25 кВ, и параметры формы сигнала по-прежнему составляют 1,2/50 мкс., что соответствует стандартным требованиям.

Экспериментальная система в основном состоит из генератора грозовых импульсов., уменьшенная модель опорной башни, система измерения, и система заземления, как показано на рисунке 12. Генератор грозовых импульсов типа ГС-100кВ., который может генерировать стандартные полные волны грозового импульса 1,2/50 мкс с пиковым напряжением, регулируемым от 0 до 100кВ, соответствие требованиям экспериментальной нагрузки.

В состав измерительной системы входит делитель высокого напряжения., датчик тока, датчик электромагнитного поля, и система сбора данных. Делитель высокого напряжения представляет собой емкостной делитель напряжения с коэффициентом деления напряжения 1000:1, который используется для измерения переходного напряжения каждой части опоры-вышки. Датчик тока представляет собой катушку Роговского с диапазоном измерения 0–20 кА и полосой пропускания 10 Гц–10 МГц., который используется для измерения переходного тока корпуса башни и заземляющей сетки. Датчик электромагнитного поля представляет собой широкополосный зонд электромагнитного поля с диапазоном измерения 1–10⁶ В/м. (электрическое поле) и 0,1 А/м-10³ А/м (магнитное поле), который используется для измерения переходного электромагнитного поля вокруг опорной башни.. В системе сбора данных используется цифровой осциллограф с частотой дискретизации 1 Гвыб/с и глубиной хранения 10 МБ., который может точно фиксировать переходную форму измеряемого сигнала.

Система заземления экспериментальной системы независима от лабораторной системы заземления во избежание взаимных помех.. Сопротивление заземления экспериментальной системы заземления регулируется., и четыре значения сопротивления 0,25 Ом, 0.5Ой, 0.75Ой, и 1 Ом устанавливаются в соответствии с коэффициентом подобия (соответствует 5 Ом, 10Ой, 15Ой, и 20 Ом в имитационной модели). Заземляющая сетка экспериментальной системы соединена с заземляющим устройством уменьшенной модели, чтобы обеспечить плавный ввод тока молнии в землю..

Экспериментальные этапы проводятся в соответствии с IEC. 60060-1 стандарт и соответствующие требования испытаний молниезащиты энергосистемы, и разделены на следующие этапы:

(1) Предэкспериментальная подготовка: Проверьте целостность уменьшенной модели., убедитесь, что соединения между корпусом башни, скрещенная рука, изоляционная струна, и проводник надежны, и убедитесь, что заземляющее устройство имеет хороший контакт с почвой.. Калибровка измерительной системы, включая высоковольтный делитель, датчик тока, и датчик электромагнитного поля, для обеспечения точности данных измерений. Настройте генератор грозовых импульсов для генерации стандартной полной волны длительностью 1,2/50 мкс с пиковым напряжением 71,25 кВ..

(2) Экспериментальная загрузка и сбор данных: Провести эксперименты в трех положениях удара молнии. (верхняя часть башни, скрещенная рука, проводник) и четыре значения сопротивления заземления соответственно. Для каждого рабочего состояния, включите генератор грозового импульса, чтобы подать полную волну грозового импульса в точку удара, и использовать систему сбора данных для сбора переходного напряжения, переходный ток, и переходные сигналы электромагнитного поля каждой части опоры-вышки. Каждое рабочее состояние повторяется 5 раз, чтобы уменьшить случайную ошибку эксперимента, и среднее значение 5 наборы данных принимаются за окончательный результат эксперимента.

(3) Окончание после эксперимента: Последовательно выключайте экспериментальное оборудование., перебрать собранные экспериментальные данные, и исключить неверные данные с очевидными ошибками. Уборка экспериментальной площадки и поддержание экспериментального оборудования в исправном состоянии..

Примем рабочее состояние удара молнии наверху башни и сопротивление заземления 0,5 Ом. (соответствует 10 Ом в моделировании) в качестве примера, результаты экспериментов и моделирования сравниваются и анализируются. Фигура 13 показано сравнение формы сигнала переходного напряжения в середине корпуса башни между экспериментом и моделированием.. Из рисунка видно, что экспериментальная форма сигнала и форма сигнала моделирования имеют одинаковую тенденцию изменения.: оба быстро возрастают до пикового значения примерно за 1,2 мкс., а потом постепенно затухать. Пиковое значение переходного напряжения, полученное в результате эксперимента, составляет 39,3кВ., а пиковое значение, полученное в результате моделирования, составляет 41,2 кВ.. Относительная ошибка 4.6%, что меньше, чем 8%.

Фигура 14 показано сравнение формы волны переходного тока в заземляющей сетке между экспериментом и моделированием.. Экспериментальная форма сигнала и форма сигнала моделирования также имеют хорошую согласованность.. Пиковое время экспериментального тока составляет около 1,5 мкс., и пиковое время тока моделирования также составляет около 1,5 мкс.. Пиковое значение экспериментального тока составляет 0,57 кА., а пиковое значение тока моделирования составляет 0,59 кА.. Относительная ошибка 3.4%, что находится в пределах допустимого.

Фигура 15 показано сравнение напряженности электрического поля на расстоянии 5 м от корпуса башни между экспериментом и моделированием.. Экспериментальный пик напряженности электрического поля составляет 6,1×10³ В/м., а пик напряженности электрического поля моделирования составляет 6,4×10³ В/м.. Относительная ошибка 4.7%, что также меньше, чем 8%. Интенсивность магнитного поля в одном и том же положении также имеет хорошую стабильность., с относительной ошибкой 5.2%.

Таблица 3 показано сравнение пиковых значений переходного напряжения, переходный ток, и напряженность электрического поля в различных условиях работы. Из таблицы видно, что относительные погрешности между результатами эксперимента и результатами моделирования при всех условиях работы составляют менее 8%, что указывает на то, что имитационная модель методом конечных элементов, созданная в данной статье, имеет высокую точность и надежность., и может точно моделировать электромагнитный переходный процесс опорной башни 500 кВ под действием полной волны грозового импульса..

Рабочее состояние	Тип параметра	Экспериментальное значение	Значение моделирования	Относительная ошибка (%)
Удар молнии сверху, Р=0,5 Ом	Башня среднего напряжения (кВ)	39.3	41.2	4.6
Удар молнии сверху, Р=0,5 Ом	Ток заземляющей сетки (тот)	0.57	0.59	3.4
Крестовина удара молнии, Р=0,5 Ом	Поперечное напряжение (кВ)	71.3	74.5	4.3
Молниеотвод, Р=0,5 Ом	Напряжение изолятора (кВ)	71.2	76.8	7.7
Удар молнии сверху, R=1 Ом	5электрическое поле м (×10³ В/м)	3.2	3.4	5.9

Основными причинами небольшой погрешности между экспериментальными результатами и результатами моделирования являются: (1) Упрощение имитационной модели, например, игнорирование болтовых соединений и мелких компонентов, приводит к небольшим различиям между имитационной моделью и реальной конструкцией; (2) Факторы окружающей среды в эксперименте, такие как влажность воздуха и температура, оказывают небольшое влияние на распределение электромагнитного поля; (3) Погрешность измерения самого экспериментального оборудования. Однако, эти ошибки находятся в пределах допустимого диапазона инженерных и академических исследований., что полностью подтверждает рациональность и корректность имитационной модели.

В этой статье, проведено комплексное исследование электромагнитных переходных характеристик опор опор линии электропередачи 500 кВ при полной волне грозового импульса путем объединения теоретического анализа, моделирование методом конечных элементов, и экспериментальная проверка. Основные выводы исследования заключаются в следующем.:

(1) Построена теоретическая система электромагнитных переходных характеристик опор 500 кВ под воздействием грозового импульса.. Стандартный грозовой импульс, полная волна (1.2/50мкс) следует распределению двойной экспоненциальной функции, а электромагнитный переходный процесс опорной башни описывается уравнениями Максвелла. Переходный процесс опорной башни является результатом комплексного действия распределения напряжения и тока., связь с электромагнитным полем, реакция изоляции, и заземление механизмов реагирования.

(2) Создана высокоточная трехмерная модель конечно-элементной имитационной модели опорной опоры из угловой стали 500 кВ.. Модель учитывает геометрические характеристики корпуса башни., скрещенная рука, изоляционная струна, и заземляющее устройство, и точно задает параметры материала и граничные условия. Результаты моделирования показывают, что модель может эффективно улавливать электромагнитный переходный процесс опорной башни под действием грозового импульса..

(3) Местоположение удара молнии и сопротивление заземления являются ключевыми факторами, влияющими на электромагнитный переходный процесс опорной башни.. Когда молния ударяет в проводник, изоляционная цепочка выдерживает самое высокое переходное напряжение (1425кВ), который находится в критическом состоянии перекрытия; когда молния ударяет в поперечину, напряженность электромагнитного поля вблизи траверсы самая высокая (6.2×10⁵ В/м); когда молния ударяет в вершину башни, переходное напряжение и ток на вершине башни самые высокие. При увеличении сопротивления заземления с 5Ом до 20Ом, переходное напряжение в нижней части башни увеличивается на 277%, и переходный ток в заземляющей сетке уменьшается на 38.4%, что значительно увеличивает риск пробоя изоляции.

(4) Переходное электромагнитное поле вокруг опорной башни имеет очевидные характеристики пространственного распределения.. Он затухает по экспоненте с увеличением расстояния от корпуса башни., и имеет значительную направленность. Напряженность электромагнитного поля в направлении удара молнии наибольшая на том же расстоянии..

(5) Результаты экспериментальной проверки показывают, что относительная погрешность между результатами эксперимента и результатами моделирования составляет менее 8%, что подтверждает надежность и точность имитационной модели. Результаты исследований обеспечивают надежную теоретическую и техническую основу для проектирования молниезащиты опор линий электропередачи 500 кВ..

По результатам исследования, выдвинуты следующие предложения по оптимизации молниезащиты опор линий электропередачи 500 кВ.:

(1) Усилить защиту цепочек изоляторов при ударе молнии в проводнике.. На гирляндах изоляторов опор ЛЭП 500кВ рекомендуется устанавливать металлооксидные разрядники., особенно в грозовых районах. Разрядник может ограничить переходное перенапряжение на изоляционной цепочке., избежать перекрытия изоляции, и защитить изоляционную цепочку и проводник.

(2) Уменьшите сопротивление заземления опоры-вышки.. Примите такие меры, как расширение сети заземления., укладка горизонтальных и вертикальных заземлителей, и использование средств, снижающих сопротивление заземления, для уменьшения сопротивления заземления опорной башни до уровня менее 5 Ом.. Это может эффективно снизить переходное напряжение в нижней части башни., увеличить переходный ток, подаваемый в землю, и улучшить характеристики молниезащиты опорной башни.

(3) Оптимизация конструкции опорной башни. Для траверс и верхних частей башни, подверженных воздействию высокой интенсивности электромагнитного поля., соответствующим образом увеличьте площадь поперечного сечения стального уголка или используйте стальные трубы с лучшей проводимостью, чтобы уменьшить волновое сопротивление корпуса башни., тем самым уменьшая переходное напряжение и распределение тока. В то же время, разумно спланируйте расстояние между поперечиной и проводником, чтобы увеличить изоляционное расстояние.

(4) Усилить мониторинг молниезащиты линий электропередачи. Установите устройства грозового мониторинга на ключевых опорах линии электропередачи 500 кВ для мониторинга параметров удара молнии в режиме реального времени. (например, пик тока молнии, форма волны, ударная позиция) и переходный процесс опорной башни. Это может обеспечить поддержку данных для оптимизации проектирования молниезащиты и обслуживания линий электропередачи..

Несмотря на то, что в этой статье проведено углубленное исследование электромагнитных переходных характеристик опор с опорами напряжением 500 кВ под действием полноволнового импульса молнии., есть еще некоторые аспекты, которые необходимо дополнительно изучить в будущем:

(1) Исследование электромагнитных переходных характеристик при нестандартных формах грозовых импульсов. Естественная молния включает в себя крутой фронт, длиннохвостый, и многократные грозовые импульсы. Будущие исследования должны быть сосредоточены на электромагнитных переходных процессах опор с опорами при этих нестандартных формах сигналов., и всесторонне оценить молниезащиту опорных вышек.

(2) Исследования влияния сложных факторов окружающей среды. Текущие исследования не учитывают влияние факторов окружающей среды, таких как дождь., снег, и ветра на электромагнитные переходные характеристики опоры-вышки. Будущие исследования должны создать имитационную модель, учитывающую сложные факторы окружающей среды., и проанализировать влияние этих факторов на переходный процесс опоры-вышки.

(3) Исследование электромагнитной переходной связи между опорами и прилегающим оборудованием. Опора линии электропередачи 500 кВ находится рядом с таким оборудованием, как башни связи и распределительные шкафы.. Электромагнитное переходное поле, создаваемое ударами молнии, может оказывать влияние на соседнее оборудование.. Будущие исследования должны изучить электромагнитные помехи между опорами и прилегающим оборудованием., и выдвинуть соответствующие меры по борьбе с вмешательством.

(4) Разработка интеллектуальной технологии молниезащиты для опорных вышек. Объедините новые технологии, такие как искусственный интеллект и большие данные, для создания интеллектуальной системы молниезащиты для опор линий электропередачи 500 кВ.. Система может предсказывать удары молний, корректировать меры молниезащиты в режиме реального времени, и улучшить возможности активной молниезащиты энергосистемы..