นามธรรม: เป็นองค์ประกอบหลักของสายส่งไฟฟ้าแรงสูง 500kV, เสาเสามีหน้าที่สองประการในการรองรับตัวนำและการต่อสายดิน. ฟ้าผ่าเป็นหนึ่งในภัยคุกคามหลักต่อการทำงานของสายส่งที่ปลอดภัยและมั่นคง, และการตอบสนองชั่วครู่ทางแม่เหล็กไฟฟ้าของเสา-เสาภายใต้คลื่นเต็มคลื่นอิมพัลส์ฟ้าผ่าส่งผลโดยตรงต่อการประสานงานของฉนวนและการออกแบบการป้องกันฟ้าผ่าของระบบไฟฟ้าทั้งหมด. ในบทความนี้, การศึกษาที่ครอบคลุมเกี่ยวกับคุณลักษณะชั่วคราวทางแม่เหล็กไฟฟ้าของเสาสายส่ง 500kV ภายใต้คลื่นเต็มแรงกระตุ้นฟ้าผ่า ดำเนินการโดยการรวมการวิเคราะห์ทางทฤษฎี, การจำลององค์ประกอบอันจำกัด, และการทดสอบเชิงทดลอง. ก่อน, มีรายละเอียดพื้นฐานทางทฤษฎีของภาวะชั่วครู่ทางแม่เหล็กไฟฟ้าภายใต้แรงกระตุ้นฟ้าผ่า, รวมถึงลักษณะของคลื่นเต็มแรงกระตุ้นฟ้าผ่า, กฎหมายการกระจายสนามแม่เหล็กไฟฟ้า, และกลไกการตอบสนองชั่วคราวของโครงสร้างเสาเสา. แล้ว, แบบจำลองไฟไนต์เอลิเมนต์สามมิติที่มีมุม 500kV เสาเหล็ก-ทาวเวอร์ถูกสร้างขึ้นโดยใช้ซอฟต์แวร์ ANSYS Maxwell, และแรงกระตุ้นสายฟ้าเต็มคลื่น (1.2/50ไมโครวินาที) ถูกนำมาใช้เพื่อจำลองกระบวนการชั่วคราวทางแม่เหล็กไฟฟ้าของเสาเสา. ลักษณะการกระจายของแรงดันไฟฟ้าชั่วครู่, กระแสชั่วคราว, และสนามแม่เหล็กไฟฟ้าชั่วครู่ของหอเสาภายใต้ตำแหน่งฟ้าผ่าที่ต่างกัน (ด้านบนของหอคอย, ข้ามแขน, และตัวนำ) และวิเคราะห์ค่าความต้านทานกราวด์ที่แตกต่างกัน. ขณะที่, แบบจำลองทดลองขนาดย่อของเสา-ทาวเวอร์ถูกสร้างขึ้นตามหลักการความคล้ายคลึงกัน, และการทดสอบคลื่นฟ้าผ่าเต็มคลื่นจะดำเนินการเพื่อตรวจสอบความถูกต้องของผลการจำลอง. ผลปรากฏว่า: (1) ตำแหน่งฟ้าผ่ามีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อการตอบสนองชั่วคราวทางแม่เหล็กไฟฟ้าของเสา-เสา. แรงดันและกระแสชั่วคราวที่ด้านบนของหอคอยจะมีค่ามากที่สุดเมื่อฟ้าผ่าลงบนยอดหอคอย, และความเข้มของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าใกล้กับแขนกางเขนจะสูงที่สุดเมื่อฟ้าผ่าลงที่แขนกางเขน. (2) ด้วยการเพิ่มความต้านทานต่อสายดิน, แรงดันไฟฟ้าชั่วคราวที่แต่ละส่วนของเสาเสาจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก, และอัตราการลดทอนของกระแสชั่วคราวลดลง, ซึ่งเพิ่มความเสี่ยงของการวาบไฟของฉนวน. (3) สนามแม่เหล็กไฟฟ้าชั่วคราวรอบๆ เสา-หอคอยจะสลายตัวแบบทวีคูณตามระยะทางที่เพิ่มขึ้น, และความเข้มของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่ระยะห่างเท่ากันจะมีค่ามากที่สุดในทิศทางที่เกิดฟ้าผ่า. (4) ผลการจำลองสอดคล้องกับผลการทดลองที่ดี, โดยมีข้อผิดพลาดน้อยกว่า 8%, ซึ่งตรวจสอบความน่าเชื่อถือของแบบจำลองไฟไนต์เอลิเมนต์ที่สร้างขึ้น. การศึกษานี้ให้พื้นฐานทางทฤษฎีและการสนับสนุนทางเทคนิคสำหรับการออกแบบการป้องกันฟ้าผ่าให้เกิดประโยชน์สูงสุด, การประสานงานของฉนวน, และการทำงานที่ปลอดภัยของเสาเสาสายส่งขนาด 500kV.

คำสำคัญ: 500สายส่งเควี; เสาทาวเวอร์; แรงกระตุ้นสายฟ้าเต็มคลื่น; แม่เหล็กไฟฟ้าชั่วคราว; การจำลององค์ประกอบอันจำกัด; การตรวจสอบการทดลอง

ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของอุตสาหกรรมพลังงาน, 500สายส่งไฟฟ้าแรงสูง kV ได้กลายเป็นส่วนสำคัญของโครงข่ายไฟฟ้าของประเทศ, ดำเนินงานที่สำคัญของการส่งกำลังทางไกลและความจุสูง. การทำงานที่ปลอดภัยและมั่นคงของสายส่ง 500kV เกี่ยวข้องโดยตรงกับความน่าเชื่อถือของระบบไฟฟ้าทั้งหมดและการทำงานปกติของการผลิตทางสังคมและชีวิต. อย่างไรก็ตาม, ฟ้าผ่าถือเป็นหนึ่งในภัยพิบัติทางธรรมชาติที่สำคัญที่สุดที่คุกคามการทำงานที่ปลอดภัยของสายส่ง. ตามสถิติ, ความผิดพลาดที่เกิดจากฟ้าผ่าเป็นสาเหตุมากกว่า 40% ของความผิดปกติรวมของสายส่งไฟฟ้าแรงสูง, และในบางพื้นที่ที่เกิดฟ้าผ่า, สัดส่วนนี้สามารถเข้าถึงได้มากกว่านั้นด้วยซ้ำ 60% [1]. เมื่อมีฟ้าผ่าเกิดขึ้นบนสายส่งหรือเสาเสา, คลื่นแรงกระตุ้นฟ้าผ่าที่รุนแรงจะถูกสร้างขึ้น, ซึ่งจะทำให้เกิดปรากฏการณ์ชั่วคราวทางแม่เหล็กไฟฟ้าที่ซับซ้อนในโครงสร้างเสา-เสา. ปรากฏการณ์ชั่วคราวเหล่านี้จะทำให้เกิดแรงดันไฟเกินและกระแสเกินในเสาเสาและอุปกรณ์ที่ต่ออยู่, ซึ่งอาจนำไปสู่การวาบไฟของฉนวน, ความเสียหายของอุปกรณ์, และแม้กระทั่งไฟฟ้าดับ, ส่งผลให้เกิดความสูญเสียทางเศรษฐกิจและผลกระทบทางสังคมอย่างมหาศาล [2-3].

เป็นส่วนประกอบหลักในการรองรับและต่อสายดินของสายส่ง, การตอบสนองชั่วคราวทางแม่เหล็กไฟฟ้าของเสา-เสาภายใต้คลื่นเต็มแรงกระตุ้นฟ้าผ่าเป็นปัญหาหลักของการออกแบบป้องกันฟ้าผ่าของสายส่ง. เสาเสามักทำจากเหล็กฉาก, ท่อเหล็ก, หรือคอนกรีต, และโครงสร้างของมันซับซ้อน, เกี่ยวข้องกับส่วนประกอบหลายอย่าง เช่น ตัวหอคอย, ข้ามแขน, สายฉนวน, และอุปกรณ์ต่อสายดิน. เมื่อสายฟ้าฟาด, กระบวนการชั่วคราวทางแม่เหล็กไฟฟ้าของเสาเสาได้รับผลกระทบจากหลายปัจจัย, เช่นตำแหน่งฟ้าผ่า, พารามิเตอร์กระแสฟ้าผ่า, ความต้านทานดิน, และโครงสร้างเสาเสา [4]. ดังนั้น, การศึกษาเชิงลึกเกี่ยวกับคุณลักษณะชั่วคราวทางแม่เหล็กไฟฟ้าของเสาไฟฟ้าขนาด 500 กิโลโวลต์ ภายใต้คลื่นเต็มแรงกระตุ้นฟ้าผ่า, การเรียนรู้กฎการกระจายของแรงดันไฟฟ้าชั่วคราว, ปัจจุบัน, และสนามแม่เหล็กไฟฟ้า, และการชี้แจงอิทธิพลของปัจจัยต่าง ๆ ต่อการตอบสนองชั่วคราวนั้นมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการออกแบบการป้องกันฟ้าผ่าของเสาเสาให้เหมาะสม, ปรับปรุงระดับการประสานงานฉนวนของระบบไฟฟ้า, และรับประกันการทำงานที่ปลอดภัยและมั่นคงของสายส่งขนาด 500kV.

ในปีที่ผ่านมา, ด้วยการปรับปรุงเทคโนโลยีการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์และเทคโนโลยีการทดสอบเชิงทดลองอย่างต่อเนื่อง, การวิจัยเกี่ยวกับคุณลักษณะชั่วคราวทางแม่เหล็กไฟฟ้าของอุปกรณ์ไฟฟ้าภายใต้แรงกระตุ้นฟ้าผ่ามีความก้าวหน้าอย่างมาก. อย่างไรก็ตาม, เนื่องจากโครงสร้างที่ซับซ้อนของเสาเสาขนาด 500kV และการเกิดฟ้าผ่าที่รุนแรง, ยังคงมีปัญหาอีกมากมายที่ต้องแก้ไขในการวิจัยเกี่ยวกับคุณลักษณะชั่วคราวทางแม่เหล็กไฟฟ้าของเสาเสา: (1) การวิจัยที่มีอยู่ส่วนใหญ่มุ่งเน้นไปที่ประสิทธิภาพการป้องกันฟ้าผ่าของสายส่งทั้งหมด, และการวิจัยเกี่ยวกับการตอบสนองชั่วคราวทางแม่เหล็กไฟฟ้าของเสาเสานั้นยังไม่มีข้อมูลเชิงลึกเพียงพอ; (2) อิทธิพลของตำแหน่งฟ้าผ่าที่แตกต่างกันและค่าความต้านทานกราวด์ต่อคุณลักษณะชั่วคราวทางแม่เหล็กไฟฟ้าของเสา-ทาวเวอร์ยังไม่ได้รับการศึกษาอย่างเป็นระบบ; (3) ความถูกต้องของแบบจำลองจำเป็นต้องได้รับการตรวจสอบโดยข้อมูลการทดลองที่เชื่อถือได้มากขึ้น. ดังนั้น, มีความจำเป็นต้องดำเนินการศึกษาอย่างครอบคลุมและเชิงลึกเกี่ยวกับคุณลักษณะชั่วคราวทางแม่เหล็กไฟฟ้าของเสาเสาสายส่งขนาด 500kV ภายใต้คลื่นเต็มแรงกระตุ้นฟ้าผ่า.

นักวิชาการต่างประเทศได้ทำการวิจัยมากมายเกี่ยวกับการป้องกันฟ้าผ่าของสายส่งและคุณลักษณะชั่วคราวทางแม่เหล็กไฟฟ้าของเสาเสาก่อนหน้านี้. ในปี 1970, นักวิชาการเช่นวากเนอร์เสนอทฤษฎีคลื่นเดินทางของแรงดันไฟฟ้าเกินฟ้าผ่าเป็นครั้งแรก, ซึ่งเป็นการวางรากฐานทางทฤษฎีสำหรับการศึกษาภาวะชั่วคราวทางแม่เหล็กไฟฟ้าของเสาเสา [5]. ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์, วิธีการจำลองไฟไนต์เอลิเมนต์ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการศึกษาค่าชั่วคราวทางแม่เหล็กไฟฟ้าของเสาเสา. ตัวอย่างเช่น, D'Alessandro และคณะ. สร้างแบบจำลองไฟไนต์เอลิเมนต์สองมิติของเสาส่งสัญญาณโดยใช้ซอฟต์แวร์ COMSOL Multiphysics, จำลองกระบวนการชั่วคราวทางแม่เหล็กไฟฟ้าภายใต้แรงกระตุ้นฟ้าผ่า, และวิเคราะห์กฎการกระจายของแรงดันและกระแสชั่วคราว [6]. เพตราเช่ และคณะ. ศึกษาอิทธิพลของพารามิเตอร์กระแสฟ้าผ่าต่อการตอบสนองชั่วคราวทางแม่เหล็กไฟฟ้าของเสาเสาผ่านการจำลองและการทดลอง, และเสนอแผนการเพิ่มประสิทธิภาพสำหรับการออกแบบป้องกันฟ้าผ่าของเสาเสา [7]. นอกจากนี้, นักวิชาการต่างชาติยังได้ทำการวิจัยมากมายเกี่ยวกับประสิทธิภาพการลงกราวด์ของเสาเสาภายใต้แรงกระตุ้นจากฟ้าผ่า, และศึกษาอิทธิพลของความต้านทานกราวด์และโครงสร้างกริดกราวด์ต่อการตอบสนองชั่วคราว [8-9].

การวิจัยภายในประเทศเกี่ยวกับคุณลักษณะชั่วคราวทางแม่เหล็กไฟฟ้าของเสาเสาสายส่งขนาด 500kV ภายใต้แรงกระตุ้นฟ้าผ่าได้พัฒนาอย่างรวดเร็วในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา. มหาวิทยาลัยและสถาบันวิจัยหลายแห่งได้ทำการวิจัยเชิงลึกในสาขานี้. ตัวอย่างเช่น, วังและคณะ. สร้างแบบจำลองไฟไนต์เอลิเมนต์สามมิติของเสาเหล็กมุม 500kV โดยใช้ซอฟต์แวร์ ANSYS, จำลองกระบวนการชั่วคราวของแรงกระตุ้นฟ้าผ่า, และวิเคราะห์การกระจายตัวของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าชั่วคราวรอบเสา-เสา [10]. หลี่และคณะ. ได้สร้างแบบจำลองทดลองขนาดย่อของเสา-ทาวเวอร์, ดำเนินการทดสอบคลื่นเต็มคลื่นแรงกระตุ้นฟ้าผ่า, และศึกษาคุณลักษณะการตอบสนองแรงดันไฟฟ้าชั่วคราวของเสาไฟฟ้าภายใต้ตำแหน่งฟ้าผ่าต่างๆ [11]. จางและคณะ. ศึกษาอิทธิพลของความต้านทานต่อกราวด์ต่อการตอบสนองชั่วคราวทางแม่เหล็กไฟฟ้าของเสาไฟฟ้าขนาด 500kV ผ่านการจำลองและการทดลอง, และเสนอวิธีการลดความต้านทานต่อสายดินเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการป้องกันฟ้าผ่า [12]. อย่างไรก็ตาม, ยังมีข้อบกพร่องบางประการในการวิจัยในประเทศที่มีอยู่: (1) แบบจำลองมีรายละเอียดไม่เพียงพอ, และอิทธิพลของโครงสร้างอันวิจิตรบางอย่างของหอเสา (เช่นการต่อระหว่างเหล็กฉากกับสายฉนวน) ไม่พิจารณาการตอบสนองชั่วคราว; (2) ความเป็นระบบของการวิจัยเชิงทดลองยังไม่แข็งแกร่ง, และการตรวจสอบแบบจำลองยังไม่ครอบคลุม; (3) การวิจัยเกี่ยวกับกลไกการมีเพศสัมพันธ์ชั่วคราวทางแม่เหล็กไฟฟ้าระหว่างเสา-หอคอยและตัวนำนั้นยังไม่มีข้อมูลเชิงลึกเพียงพอ.

วัตถุประสงค์หลักของบทความนี้คือ: (1) เพื่ออธิบายพื้นฐานทางทฤษฎีของคุณลักษณะชั่วคราวทางแม่เหล็กไฟฟ้าของเสา-เสาสายส่ง 500kV ภายใต้คลื่นเต็มแรงกระตุ้นฟ้าผ่า, รวมถึงลักษณะของคลื่นเต็มแรงกระตุ้นฟ้าผ่า, กฎหมายการกระจายสนามแม่เหล็กไฟฟ้า, และกลไกการตอบสนองชั่วคราว; (2) เพื่อสร้างแบบจำลองไฟไนต์เอลิเมนต์สามมิติที่มีความแม่นยำสูงของเสาเหล็กมุม 500kV, และจำลองกระบวนการแม่เหล็กไฟฟ้าชั่วคราวภายใต้คลื่นเต็มแรงกระตุ้นฟ้าผ่า; (3) เพื่อวิเคราะห์ลักษณะการกระจายของแรงดันไฟฟ้าชั่วครู่, กระแสชั่วคราว, และสนามแม่เหล็กไฟฟ้าชั่วครู่ของเสาไฟฟ้าภายใต้ปัจจัยที่มีอิทธิพลต่างกัน (ตำแหน่งสายฟ้าฟาด, ความต้านทานดิน); (4) เพื่อสร้างแบบจำลองทดลองขนาดย่อของเสา-ทาวเวอร์, ดำเนินการทดสอบคลื่นเต็มคลื่นแรงกระตุ้นฟ้าผ่า, และตรวจสอบความถูกต้องของแบบจำลอง; (5) เพื่อเสนอข้อเสนอแนะในการเพิ่มประสิทธิภาพสำหรับการออกแบบป้องกันฟ้าผ่าของเสาเสาสายส่งขนาด 500kV ตามผลการวิจัย.

ขอบเขตการวิจัยของบทความนี้ประกอบด้วย: (1) หอคอยเสาเหล็กมุม 500kV ที่ใช้กันทั่วไปในงานวิศวกรรม; (2) คลื่นเต็มแรงกระตุ้นฟ้าผ่าที่มีพารามิเตอร์ 1.2/50μs (เวลาหน้า/เวลาครึ่งพีค) ซึ่งเป็นไปตามมาตรฐาน IEC; (3) ตำแหน่งฟ้าผ่าทั่วไปสามตำแหน่ง: ด้านบนของหอคอย, ข้ามแขน, และตัวนำ; (4) ค่าความต้านทานกราวด์ทั่วไปสี่ค่า: 5โอ้, 10โอ้, 15โอ้, และ 20Ω; (5) ลักษณะชั่วคราวทางแม่เหล็กไฟฟ้าของเสา-ทาวเวอร์, รวมถึงแรงดันไฟฟ้าชั่วคราว, กระแสชั่วคราว, และการกระจายสนามแม่เหล็กไฟฟ้าชั่วคราว.

บทความนี้แบ่งออกเป็นหกบท. บท 1 คือการแนะนำตัว, ซึ่งกล่าวถึงภูมิหลังและความสำคัญของการวิจัยอย่างละเอียด, สรุปสถานะการวิจัยในประเทศและต่างประเทศ, ชี้แจงวัตถุประสงค์และขอบเขตการวิจัย, และแนะนำโครงสร้างของวิทยานิพนธ์. บท 2 แนะนำพื้นฐานทางทฤษฎีของภาวะชั่วครู่ทางแม่เหล็กไฟฟ้าภายใต้แรงกระตุ้นฟ้าผ่า, รวมถึงลักษณะของคลื่นเต็มแรงกระตุ้นฟ้าผ่า, ทฤษฎีพื้นฐานของภาวะชั่วครู่ทางแม่เหล็กไฟฟ้า, และกลไกการตอบสนองชั่วคราวของโครงสร้างเสาเสา. บท 3 อธิบายการสร้างแบบจำลองไฟไนต์เอลิเมนต์ของเสาทาวเวอร์ขนาด 500kV, รวมถึงการทำให้โมเดลง่ายขึ้น, พารามิเตอร์วัสดุ, เงื่อนไขขอบเขต, และแรงกระตุ้นฟ้าผ่าเต็มคลื่น. บท 4 วิเคราะห์ผลการจำลองคุณลักษณะชั่วคราวทางแม่เหล็กไฟฟ้าของเสา-ทาวเวอร์ภายใต้ปัจจัยที่มีอิทธิพลที่แตกต่างกัน. บท 5 แนะนำการออกแบบและการใช้งานแบบจำลองการทดลองแบบลดขนาด, และตรวจสอบผลการจำลองผ่านการทดสอบเชิงทดลอง. บท 6 คือข้อสรุปและโอกาส, ซึ่งสรุปผลการวิจัยหลัก, เสนอคำแนะนำในการเพิ่มประสิทธิภาพสำหรับการออกแบบป้องกันฟ้าผ่าของเสาเสาขนาด 500kV, และตั้งตารอทิศทางการวิจัยในอนาคต.

แรงกระตุ้นฟ้าผ่าเป็นแรงดันไฟฟ้าเกินชั่วคราวชนิดหนึ่งที่มีระยะเวลาสั้นและมีแอมพลิจูดสูง. คลื่นเต็มแรงกระตุ้นฟ้าผ่ามักจะถูกกำหนดโดยพารามิเตอร์สองตัว: เวลาหน้า (T1) และครึ่งพีคไทม์ (ที2). ตามข้อกำหนดของไออีซี 60060-1 มาตรฐาน, คลื่นเต็มแรงกระตุ้นฟ้าผ่ามาตรฐานมีเวลาหน้า1.2μs (ความอดทน ± 30%) และเวลาครึ่งพีคที่ 50μs (ความอดทน ± 20%), ซึ่งบันทึกเป็น 1.2/50μs [13]. รูปคลื่นของคลื่นเต็มคลื่นอิมพัลส์ฟ้าผ่ามาตรฐานจะแสดงในรูป 1.

การแสดงออกทางคณิตศาสตร์ของคลื่นเต็มคลื่นอิมพัลส์ฟ้าผ่ามาตรฐานสามารถอธิบายได้ด้วยฟังก์ชันเลขชี้กำลังสองเท่า [14]:

ที่ไหน: \( คุณ_ม \) คือค่าพีคของแรงดันไฟฟ้าอิมพัลส์ฟ้าผ่า; \( \เทา_1 \) คือค่าคงที่เวลาหน้า, ซึ่งเป็นตัวกำหนดความชันของหน้าคลื่น; \( \เทา_2 \) คือค่าคงที่เวลาส่วนท้าย, ซึ่งกำหนดระยะเวลาของหางคลื่น; \( เสื้อ \) ถึงเวลาแล้ว.

ค่าสูงสุดของแรงดันอิมพัลส์ฟ้าผ่าที่เกิดจากฟ้าผ่าตามธรรมชาติสามารถสูงถึงหลายร้อยกิโลโวลต์ถึงหลายล้านกิโลโวลต์, และค่าสูงสุดของกระแสฟ้าผ่าสามารถสูงถึงหลายสิบกิโลแอมแปร์ถึงหลายร้อยกิโลแอมแปร์. สำหรับสายส่ง 500kV, ระดับแรงดันไฟฟ้าอิมพัลส์ฟ้าผ่ามักจะอยู่ที่ 1425kV, ซึ่งกำหนดตามข้อกำหนดการประสานงานฉนวนของระบบไฟฟ้า [15]. เมื่อเกิดฟ้าผ่า, คลื่นแรงกระตุ้นฟ้าผ่าเต็มคลื่นจะถูกฉีดเข้าไปในหอเสาผ่านจุดโจมตี, แล้วแผ่ไปตามตัวหอคอยจนถึงพื้น, ทำให้เกิดปรากฏการณ์ชั่วคราวทางแม่เหล็กไฟฟ้าที่ซับซ้อน.

นอกเหนือจากคลื่นเต็มมาตรฐาน 1.2/50μs, นอกจากนี้ยังมีแรงกระตุ้นฟ้าผ่าด้านหน้าที่สูงชันและแรงกระตุ้นฟ้าผ่าหางยาวในธรรมชาติด้วย. แรงกระตุ้นฟ้าผ่าด้านหน้าที่สูงชันมีเวลาส่วนหน้าสั้นกว่า (น้อยกว่า 1μs) และความชันหน้าคลื่นที่สูงขึ้น, ซึ่งมีผลกระทบต่อฉนวนของเสาเสามากกว่า. แรงกระตุ้นฟ้าผ่าหางยาวมีเวลาครึ่งยอดที่ยาวกว่า (มากกว่า 50μs), ซึ่งอาจทำให้อุปกรณ์เสียหายสะสมได้. อย่างไรก็ตาม, คลื่นเต็มแรงกระตุ้นฟ้าผ่ามาตรฐาน 1.2/50μs เป็นตัวแทนได้มากที่สุด, ดังนั้นบทความนี้จึงมุ่งเน้นไปที่คุณลักษณะชั่วคราวทางแม่เหล็กไฟฟ้าของเสา-ทาวเวอร์ภายใต้รูปคลื่นนี้.

กระบวนการชั่วคราวทางแม่เหล็กไฟฟ้าของเสา-ทาวเวอร์ภายใต้แรงกระตุ้นฟ้าผ่าเป็นปัญหาที่ซับซ้อนของการมีเพศสัมพันธ์ของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า, ซึ่งเป็นไปตามสมการของแมกซ์เวลล์ [16]. สมการของแมกซ์เวลล์เป็นสมการพื้นฐานที่อธิบายสนามแม่เหล็กไฟฟ้า, รวมถึงกฎของเกาส์สำหรับไฟฟ้าด้วย, กฎของเกาส์สำหรับแม่เหล็ก, กฎการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าของฟาราเดย์, และกฎแอมแปร์-แมกซ์เวลล์. รูปแบบอนุพันธ์ของสมการของแมกซ์เวลล์มีดังนี้:

ที่ไหน: \( \เวค{D} \) คือเวกเตอร์การกระจัดทางไฟฟ้า; \( \rho_v \) คือความหนาแน่นประจุปริมาตร; \( \เวค{B} \) คือความเข้มของการเหนี่ยวนำแม่เหล็ก; \( \เวค{อี} \) คือความเข้มของสนามไฟฟ้า; \( \เวค{H} \) คือความเข้มของสนามแม่เหล็ก; \( \เวค{J} \) คือความหนาแน่นกระแส; \( เสื้อ \) ถึงเวลาแล้ว.

ในการวิเคราะห์ภาวะชั่วคราวทางแม่เหล็กไฟฟ้าของเสา-ทาวเวอร์, โครงสร้างเสาเสามักถือเป็นตัวนำ, และตัวกลางที่อยู่รอบๆ คืออากาศ. ความสัมพันธ์ที่เป็นส่วนประกอบของตัวนำและอากาศมีดังนี้:

ที่ไหน: \( \วาเรปซิลอน \) คือการอนุญาต; \( \ใน \) คือการซึมผ่าน; \( \ซิกมา \) คือค่าการนำไฟฟ้า.

เมื่อแรงกระตุ้นฟ้าผ่าเต็มคลื่นถูกฉีดเข้าไปในเสาเสา, กระแสไฟที่แปรผันตามเวลาจะถูกสร้างขึ้นในตัวหอคอย, ซึ่งจะกระตุ้นสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่แปรผันตามเวลารอบๆ เสาเสา. สนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่แปรผันตามเวลาจะเหนี่ยวนำให้เกิดกระแสเอ็ดดี้ในตัวนำของเสาเสา, และจะมีคัปปลิ้งแม่เหล็กไฟฟ้าระหว่างตัวทาวเวอร์, ข้ามแขน, สายฉนวน, และตัวนำ. การตอบสนองชั่วคราวทางแม่เหล็กไฟฟ้าของเสา-เสาเป็นผลมาจากอันตรกิริยาระหว่างแรงกระตุ้นฟ้าผ่าที่ฉีดเข้าไป, สนามแม่เหล็กไฟฟ้า, และโครงสร้างหอเสา.

โครงสร้างเสา-ทาวเวอร์เป็นโครงสร้างโครงถักเชิงพื้นที่ที่ซับซ้อน ซึ่งประกอบด้วยเหล็กหลายมุมที่เชื่อมต่อกันด้วยสลักเกลียว. เมื่อสายฟ้าฟาดลงมาที่เสาเสา, กลไกการตอบสนองชั่วคราวของเสาเสาส่วนใหญ่ประกอบด้วยประเด็นต่อไปนี้:

(1) กลไกการกระจายแรงดันและกระแส: แรงดันไฟฟ้าอิมพัลส์ฟ้าผ่าที่ฉีดจากจุดปะทะจะกระจายไปตามตัวหอคอย. เนื่องจากความจุแบบกระจายและความเหนี่ยวนำของตัวทาวเวอร์, แรงดันและกระแสจะมีผลกระทบต่อคลื่นเคลื่อนที่ในระหว่างกระบวนการขยายพันธุ์. ความต้านทานคลื่นของตัวหอคอยเป็นตัวแปรสำคัญที่ส่งผลต่อการกระจายแรงดันและกระแส. ความต้านทานคลื่นของเสาเหล็กมุมมักจะอยู่ระหว่าง100Ωถึง300Ω, ซึ่งสัมพันธ์กับพื้นที่หน้าตัดของตัวหอคอย, ระยะห่างระหว่างเหล็กฉาก, และความสูงของหอคอย [17].

(2) กลไกการมีเพศสัมพันธ์ของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า: กระแสไฟฟ้าที่แปรผันตามเวลาในตัวหอคอยจะสร้างสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่แปรผันตามเวลารอบเสา-หอคอย. สนามแม่เหล็กไฟฟ้าจะเหนี่ยวนำแรงดันและกระแสในตัวนำและส่วนประกอบโลหะที่อยู่ติดกัน, ซึ่งเป็นผลการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า. ในเวลาเดียวกัน, สนามแม่เหล็กไฟฟ้าจะโต้ตอบกับอุปกรณ์กราวด์ของเสาเสาด้วย, ส่งผลต่อกระแสกราวด์และแรงดันไฟฟ้ากราวด์ [18].

(3) กลไกการตอบสนองของฉนวน: สายฉนวนระหว่างเสาเสาและตัวนำเป็นส่วนประกอบฉนวนที่สำคัญ. ภายใต้การกระทำของแรงดันไฟฟ้าเกินแรงกระตุ้นฟ้าผ่า, สายฉนวนจะรับแรงดันไฟฟ้าชั่วคราวสูง. หากแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับเกินความแข็งแรงของฉนวนของสายฉนวน, จะเกิดการวาบไฟของฉนวน, ทำให้เกิดการลัดวงจรระหว่างตัวนำกับเสา-เสา [19].

(4) กลไกการตอบสนองการต่อสายดิน: อุปกรณ์ต่อสายดินของเสาเสาใช้เพื่อนำกระแสฟ้าผ่าลงดินและลดแรงดันไฟฟ้าลงดิน. ภายใต้การกระทำของแรงกระตุ้นสายฟ้า, ความต้านทานต่อสายดินของอุปกรณ์ต่อสายดินจะแสดงคุณลักษณะชั่วคราว. เนื่องจากผลกระทบทางผิวหนังและการแตกตัวเป็นไอออนของดิน, ความต้านทานต่อสายดินชั่วคราวมักจะน้อยกว่าความต้านทานต่อสายดินในสภาวะคงตัว, แต่กฎหมายการเปลี่ยนแปลงมีความซับซ้อน [20]. การตอบสนองของการต่อลงดินส่งผลโดยตรงต่ออัตราการลดทอนของกระแสฟ้าผ่าและการกระจายแรงดันไฟฟ้าชั่วคราวบนเสา-เสา.

สรุป, การตอบสนองชั่วครู่ทางแม่เหล็กไฟฟ้าของเสา-เสาภายใต้แรงกระตุ้นฟ้าผ่าเป็นผลที่ครอบคลุมของกลไกหลายประการ เช่น การกระจายแรงดันและกระแส, การมีเพศสัมพันธ์ของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า, การตอบสนองของฉนวน, และการตอบสนองทางสายดิน. เพื่อวิเคราะห์คุณลักษณะชั่วคราวทางแม่เหล็กไฟฟ้าของเสา-ทาวเวอร์ได้อย่างแม่นยำ, จำเป็นต้องพิจารณากลไกเหล่านี้อย่างครอบคลุมและสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์และแบบจำลองสถานการณ์ที่เหมาะสม.

หอคอยเสาเหล็กมุม 500kV ที่ศึกษาในบทความนี้เป็นหอคอยประเภท猫头ทั่วไป, ด้วยความสูงรวม 45 ม, ฐานกว้าง 8 ม, และแขนกางเขนยาว 12 ม. ตัวหอคอยประกอบด้วยเหล็กฉาก Q355, มีขนาดหน้าตัดต่างกันที่ความสูงต่างกัน. แขนกางเขนยังประกอบด้วยเหล็กฉาก Q355, และสายฉนวนทำจากพลาสติกเสริมใยแก้ว. เนื่องจากโครงสร้างที่ซับซ้อนของเสาเสา, จำเป็นต้องลดความซับซ้อนของแบบจำลองในระหว่างกระบวนการสร้างแบบจำลองไฟไนต์เอลิเมนต์เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการคำนวณบนสมมติฐานเพื่อให้มั่นใจถึงความแม่นยำในการคำนวณ.

มาตรการลดความซับซ้อนหลักมีดังนี้: (1) ละเว้นการเชื่อมต่อโบลต์ระหว่างเหล็กฉาก, และถือว่าการเชื่อมต่อนั้นแน่นหนา; (2) ลดความซับซ้อนของสายฉนวนให้เป็นฉนวนทรงกระบอกที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางและความยาวเท่ากัน; (3) ละเว้นส่วนประกอบเล็กๆ เช่น แผ่นฐานทาวเวอร์และแคลมป์รัดสาย, ซึ่งมีผลกระทบเพียงเล็กน้อยต่อการตอบสนองชั่วคราวทางแม่เหล็กไฟฟ้า; (4) อุปกรณ์กราวด์ถูกทำให้ง่ายขึ้นเป็นตารางกราวด์แนวนอนที่มีความยาว 20 ม, กว้าง 20ม, และความลึกของการฝังศพ 0.8 ม, และตัวนำสายดินเป็นเหล็กกลมมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 12 มม.

ขึ้นอยู่กับมาตรการลดความซับซ้อนข้างต้น, แบบจำลองเรขาคณิตสามมิติของเสาทาวเวอร์ขนาด 500kV ถูกสร้างขึ้นโดยใช้ซอฟต์แวร์ ANSYS DesignModeler. แบบจำลองทางเรขาคณิตประกอบด้วยตัวหอคอย, ข้ามแขน, สายฉนวน, ตัวนำ, และอุปกรณ์ต่อสายดิน. ตัวนำเป็นตัวนำส่งไฟฟ้ากระแสสลับขนาด 500kV ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 25 มม. แบบจำลองจะแสดงในรูป 2.

วัสดุหลักที่เกี่ยวข้องกับโมเดลเสาค้ำ ได้แก่ เหล็กกล้า Q355 (ร่างกายหอ, ข้ามแขน, ตัวนำสายดิน), พลาสติกเสริมใยแก้ว (สายฉนวน), อากาศ (สื่อโดยรอบ), และดิน (สายดิน). พารามิเตอร์วัสดุแสดงอยู่ในตาราง 1.

วัสดุ	ความนำไฟฟ้า σ (เอส/ม)	การอนุญาต ε (เอฟ/ม)	การซึมผ่าน μ (ชม./ม)	ความหนาแน่น ρ (กก./ลบ.ม)
Q355 เหล็กกล้า	5.8×10⁶	8.85×10⁻¹²	4π×10⁻⁷	7850
พลาสติกเสริมใยแก้ว	1×10⁻¹²	3.54×10⁻¹¹	4π×10⁻⁷	1800
อากาศ	1×10⁻¹⁵	8.85×10⁻¹²	4π×10⁻⁷	1.29
ดิน	0.01	1.77×10⁻¹⁰	4π×10⁻⁷	1800

ควรสังเกตว่าค่าการนำไฟฟ้าของดินได้รับผลกระทบจากปัจจัยต่างๆ เช่น ชนิดของดิน, ปริมาณความชื้น, และอุณหภูมิ. ในบทความนี้, ค่าการนำไฟฟ้าของดินจะถูกนำมาเป็น 0.01 เอส/ม, ซึ่งเป็นค่าเฉลี่ยของดินร่วนที่นิยมใช้ในงานวิศวกรรม [21]. ค่าการอนุญาติของพลาสติกเสริมใยแก้วคือ 4 เท่าของอากาศ, ซึ่งกำหนดตามพารามิเตอร์วัสดุที่ผู้ผลิตกำหนด.

การสร้างเมชเป็นขั้นตอนสำคัญในการจำลองไฟไนต์เอลิเมนต์, ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อความแม่นยำในการคำนวณและประสิทธิภาพในการคำนวณ. การสร้างตาข่ายของโมเดลเสา-ทาวเวอร์ดำเนินการโดยใช้ซอฟต์แวร์ ANSYS Meshing. เมื่อพิจารณาถึงโครงสร้างที่ซับซ้อนของเสาทาวเวอร์และความต้องการความแม่นยำในการคำนวณสูงสำหรับสนามแม่เหล็กไฟฟ้าใกล้กับตัวหอคอย, มีการนำกลยุทธ์การสร้างตาข่ายต่อไปนี้มาใช้:

(1) ใช้ตาข่ายจัตุรมุขสำหรับตัวหอคอย, ข้ามแขน, สายฉนวน, ตัวนำ, และอุปกรณ์ต่อสายดิน, ซึ่งสามารถปรับให้เข้ากับรูปทรงเรขาคณิตที่ซับซ้อนได้; (2) ใช้ตาข่ายหกเหลี่ยมสำหรับบริเวณอากาศและดิน, ซึ่งมีความแม่นยำและประสิทธิภาพในการคำนวณสูงกว่า; (3) ดำเนินการปรับแต่งตาข่ายสำหรับภูมิภาคที่มีการไล่ระดับของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าขนาดใหญ่, เช่นจุดฟ้าผ่า, การเชื่อมต่อระหว่างตัวหอคอยกับแขนกางเขน, และโครงข่ายสายดิน; (4) ควบคุมขนาดตาข่ายสูงสุด: ขนาดตาข่ายสูงสุดของตัวหอคอยและแขนกางเขนคือ 0.5 ม, ขนาดตาข่ายสูงสุดของสายฉนวนและตัวนำคือ 0.2 ม, ขนาดตาข่ายสูงสุดของตารางกราวด์คือ 0.3 ม, และขนาดตาข่ายสูงสุดของบริเวณอากาศและดินคือ 2 ม.

หลังจากการสร้างตาข่าย, จำนวนองค์ประกอบตาข่ายทั้งหมดของแบบจำลองคือ 1,256,800, และจำนวนโหนดทั้งหมดคือ 2,345,600. มีการตรวจสอบคุณภาพตาข่าย, และอัตราส่วนภาพโดยเฉลี่ยคือ 1.8, ซึ่งตรงตามข้อกำหนดของการคำนวณไฟไนต์เอลิเมนต์.

3.4.1 เงื่อนไขขอบเขต

เงื่อนไขขอบเขตของแบบจำลองมีการกำหนดไว้ดังนี้: (1) มีการกำหนดเขตแดนไกลสำหรับเขตอากาศ. ขอบเขตสนามไกลเป็นขอบเขตที่ไม่สะท้อนแสง, ซึ่งสามารถจำลองการขยายตัวของอากาศอย่างไม่สิ้นสุดและหลีกเลี่ยงการสะท้อนของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ขอบเขต, ส่งผลต่อผลการจำลอง; (2) ขอบเขตดินถูกกำหนดไว้สำหรับบริเวณดิน. ขอบเขตกราวด์ถูกกำหนดให้เป็นขอบเขตตัวนำที่สมบูรณ์แบบ, สมมุติว่าดินมีความลึกเป็นอนันต์, และคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าก็ถูกดูดซับโดยดินอย่างสมบูรณ์; (3) ไม่ได้กำหนดขอบเขตสมมาตร, เพราะฟ้าผ่านั้นเป็นภาระที่ไม่สมมาตร, และการตอบสนองชั่วคราวทางแม่เหล็กไฟฟ้าของเสาเสาก็ไม่สมมาตรเช่นกัน.

3.4.2 กำลังโหลดการตั้งค่า

คลื่นเต็มแรงกระตุ้นฟ้าผ่าถูกโหลดเป็นแหล่งแรงดันไฟฟ้าที่จุดหยุดงาน. ตามขอบเขตการวิจัยของบทความนี้, มีการเลือกตำแหน่งฟ้าผ่าทั่วไปสามตำแหน่ง: (1) ด้านบนของหอคอย: แหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าถูกโหลดที่โหนดด้านบนของตัวทาวเวอร์; (2) ครอสอาร์ม: แหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าถูกโหลดที่โหนดปลายของแขนกางเขน; (3) ตัวนำ: แหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าถูกโหลดที่โหนดตรงกลางของตัวนำ.

พารามิเตอร์ของคลื่นเต็มคลื่นอิมพัลส์ฟ้าผ่าได้รับการตั้งค่าตาม IEC 60060-1 มาตรฐาน: เวลาหน้า 1.2μs, เวลาครึ่งสูงสุด 50μs, และแรงดันสูงสุด 1,425kV (ระดับแรงดันไฟฟ้าอิมพัลส์ฟ้าผ่าของสายส่ง 500kV). รูปคลื่นแรงดันไฟฟ้าถูกสร้างขึ้นโดยใช้ฟังก์ชันเลขชี้กำลังสองเท่าในซอฟต์แวร์ ANSYS Maxwell, และขั้นตอนเวลาถูกตั้งไว้ที่ 0.01μs เพื่อให้แน่ใจว่ากระบวนการชั่วคราวจะถูกจับได้อย่างแม่นยำ. เวลาจำลองตั้งไว้ที่200μs, ซึ่งครอบคลุมกระบวนการทั้งหมดของคลื่นฟ้าผ่าอิมพัลส์ตั้งแต่ขึ้นจนสลาย.

นอกจากนี้, ความต้านทานกราวด์ถูกจำลองโดยการเพิ่มขอบเขตความต้านทานที่ตารางกราวด์. ค่าความต้านทานกราวด์ที่แตกต่างกันสี่ค่า (5โอ้, 10โอ้, 15โอ้, และ 20Ω) ได้รับการตั้งค่าให้ศึกษาอิทธิพลของความต้านทานต่อกราวด์ต่อการตอบสนองชั่วคราวทางแม่เหล็กไฟฟ้าของเสา-ทาวเวอร์.

การคำนวณการจำลองดำเนินการโดยใช้โมดูลสนามแม่เหล็กไฟฟ้าชั่วคราวของซอฟต์แวร์ ANSYS Maxwell. ตัวแก้ปัญหาถูกตั้งค่าเป็นตัวแก้ปัญหาโดเมนเวลา, ซึ่งเหมาะสำหรับการจำลองสนามแม่เหล็กไฟฟ้าชั่วคราวที่มีลักษณะแปรผันตามเวลา. วิธีการคำนวณคือวิธีไฟไนต์เอลิเมนต์, ซึ่งแยกโดเมนโซลูชันออกเป็นองค์ประกอบอันจำกัดจำนวนมาก, และแก้สมการของแมกซ์เวลล์ในแต่ละองค์ประกอบเพื่อให้ได้การกระจายตัวของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า.

ในระหว่างขั้นตอนการคำนวณ, พารามิเตอร์ต่อไปนี้ถูกตั้งค่าไว้: (1) เงื่อนไขเริ่มต้นเป็นศูนย์, นั่นคือ, ความเข้มของสนามไฟฟ้าเริ่มต้นและความเข้มของสนามแม่เหล็กในโดเมนของสารละลายเป็นศูนย์; (2) เกณฑ์การบรรจบกันตั้งไว้ที่ 1×10⁻⁶, ซึ่งทำให้มั่นใจได้ถึงความแม่นยำในการคำนวณ; (3) เปิดใช้งานการเร่งด้วยฮาร์ดแวร์แล้ว, ใช้ GPU เพื่อเร่งการคำนวณ, ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการคำนวณ.

หลังจากการคำนวณแบบจำลองแล้ว, แรงดันไฟฟ้าชั่วคราว, กระแสชั่วคราว, และการกระจายสนามแม่เหล็กไฟฟ้าชั่วคราวของแต่ละส่วนของเสาทาวเวอร์ในเวลาที่ต่างกันสามารถรับได้ผ่านโมดูลหลังการประมวลผลของซอฟต์แวร์ ANSYS Maxwell.

รูป 3 แสดงรูปคลื่นแรงดันไฟฟ้าชั่วคราวของส่วนต่าง ๆ ของเสาเสาเมื่อฟ้าผ่ากระทบยอดเสา (ความต้านทานต่อสายดินคือ 10Ω). ดูได้จากรูป 3 ว่าแรงดันไฟฟ้าชั่วครู่ของแต่ละส่วนของเสาเสาจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วตามการเพิ่มขึ้นของคลื่นเต็มคลื่นฟ้าผ่า, ถึงค่าสูงสุดที่ประมาณ 1.2μs, แล้วค่อยสลายไปตามความเสื่อมของหางคลื่น.

ค่าพีคของแรงดันไฟฟ้าชั่วครู่ที่ส่วนต่างๆ มีดังนี้: ด้านบนของหอคอยคือ 1,425kV (เท่ากับค่าพีคของแรงดันไฟฟ้าอิมพัลส์ฟ้าผ่าที่โหลด), ตรงกลางของตัวหอคอย (22.5ความสูง m) คือ 785kV, ด้านล่างของตัวหอคอย (0ความสูง m) คือ 125kV, ปลายแขนกางเขนคือ 650kV, และสายฉนวนคือ 580kV. แรงดันไฟฟ้าชั่วคราวจะค่อยๆ ลดลงจากด้านบนของหอคอยจนถึงด้านล่างของหอคอย, ซึ่งเป็นเพราะว่าตัวหอคอยมีความต้านทานคลื่นในระดับหนึ่ง, และแรงดันไฟฟ้าอิมพัลส์ฟ้าผ่าจะลดลงในระหว่างกระบวนการแพร่กระจายไปตามตัวหอคอย.

แรงดันไฟฟ้าชั่วครู่บนสายฉนวนคือแรงดันไฟฟ้าระหว่างแขนกางเขนและตัวนำ. เมื่อสายฟ้าฟาดลงมาบนยอดหอคอย, แขนกางเขนอยู่ที่แรงดันไฟฟ้าชั่วคราวสูง, ในขณะที่ตัวนำไม่ได้ถูกฟ้าผ่าโดยตรง, ดังนั้นแรงดันไฟฟ้าชั่วครู่บนสายฉนวนคือความแตกต่างระหว่างแรงดันไฟฟ้าชั่วครู่ของแขนกางเขนและตัวนำ. ค่าสูงสุดของแรงดันไฟฟ้าชั่วคราวบนสายฉนวนคือ 580kV, ซึ่งน้อยกว่าความแข็งแรงของฉนวนของสายฉนวน 500kV (1425กิโลโวลต์), ดังนั้นจึงไม่มีการวาบไฟของฉนวนเกิดขึ้น.

รูป 4 แสดงรูปคลื่นกระแสชั่วคราวของส่วนต่าง ๆ ของเสาเสาเมื่อฟ้าผ่ากระทบยอดหอคอย (ความต้านทานต่อสายดินคือ 10Ω). กระแสชั่วคราวของแต่ละส่วนของเสาเสายังเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วด้วยการเพิ่มขึ้นของคลื่นเต็มคลื่นของฟ้าผ่า, ถึงค่าสูงสุดที่ประมาณ 1.5μs, แล้วก็สลายไปทีละน้อย.

ค่าพีคของกระแสชั่วครู่ที่ส่วนต่างๆ มีดังนี้: ยอดหอคอยอยู่ที่ 14.25kA, ตรงกลางของตัวทาวเวอร์คือ 12.8kA, ด้านล่างของตัวทาวเวอร์คือ 11.5kA, และกริดกราวด์คือ 11.5kA. กระแสไฟชั่วคราวจะลดลงเล็กน้อยจากด้านบนของหอคอยถึงด้านล่างของหอคอย, ซึ่งเป็นเพราะกระแสไฟฟ้าส่วนเล็กๆ ถูกรั่วลงสู่พื้นผ่านความจุแบบกระจายของตัวทาวเวอร์. กระแสไฟชั่วครู่ของกริดกราวด์เท่ากับกระแสไฟชั่วครู่ที่ด้านล่างของตัวทาวเวอร์, ซึ่งบ่งชี้ว่ากระแสทั้งหมดที่ด้านล่างของตัวหอคอยถูกฉีดลงดินผ่านตะแกรงกราวด์.

รูปคลื่นของกระแสไฟฟ้าชั่วคราวจะแตกต่างจากแรงดันไฟฟ้าชั่วคราวเล็กน้อย. เวลาพีคของกระแสไฟฟ้าชั่วครู่จะช้ากว่าแรงดันไฟฟ้าชั่วครู่, ซึ่งเป็นเพราะว่าค่าความเหนี่ยวนำของตัวทาวเวอร์และโครงข่ายกราวด์ทำให้กระแสไฟฟ้าล้าหลังกว่าแรงดันไฟฟ้า.

รูป 5 แสดงการกระจายตัวของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าชั่วคราวรอบเสาเสาที่ t=1.2μs (เวลาสูงสุดของแรงดันไฟฟฉาชั่วครู่) เมื่อสายฟ้าฟาดลงมาบนยอดหอคอย (ความต้านทานต่อสายดินคือ 10Ω). ความเข้มของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าจะสูงที่สุดใกล้กับยอดหอคอย, โดยมีค่าสูงสุด 5.8×10⁵ V/m (ความเข้มของสนามไฟฟ้า) และ 1.5×10³ A/m (ความเข้มของสนามแม่เหล็ก).

สนามแม่เหล็กไฟฟ้าชั่วคราวรอบๆ เสา-หอคอยจะสลายตัวแบบทวีคูณตามระยะทางที่เพิ่มขึ้น. เมื่อระยะห่างจากตัวหอคอยคือ 5 ม, ความเข้มของสนามไฟฟ้าคือ 1.2×10⁵ V/m, และความเข้มของสนามแม่เหล็กคือ 3.2×10² A/m; เมื่อเว้นระยะห่าง 10 เมตร, ความเข้มของสนามไฟฟ้าคือ 2.8×10⁴ V/m, และความเข้มของสนามแม่เหล็กคือ 7.5×10¹ A/m; เมื่อเว้นระยะห่าง 20 ม, ความเข้มของสนามไฟฟ้าคือ 6.8×10³ V/m, และความเข้มของสนามแม่เหล็กคือ 1.8×10¹ A/m. กฎการกระจายนี้สอดคล้องกับลักษณะของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าสนามใกล้ที่เกิดจากกระแสชั่วคราว.

นอกจากนี้, ความเข้มของสนามแม่เหล็กไฟฟ้ามีทิศทางที่ชัดเจน. ความเข้มของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าในทิศทางที่เกิดฟ้าผ่า (ทิศทางแนวตั้ง) จะสูงกว่านั้นในแนวนอน, ซึ่งเป็นเพราะกระแสชั่วคราวในตัวหอคอยส่วนใหญ่เป็นแนวตั้ง, และสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดจากกระแสแนวตั้งจะแรงกว่าในทิศทางแนวตั้ง.

รูป 6 แสดงรูปคลื่นแรงดันไฟชั่วขณะของส่วนต่าง ๆ ของหอเสาเมื่อฟ้าผ่ากระทบแขนกางเขน (ความต้านทานต่อสายดินคือ 10Ω). เมื่อเทียบกับสายฟ้าฟาดบนยอดหอคอย, แรงดันไฟชั่วขณะของแขนกางเขนจะสูงที่สุด, ด้วยค่าสูงสุด 1425kV. แรงดันไฟฟ้าชั่วคราวที่ด้านบนของหอคอยคือ 980kV, ตรงกลางของตัวหอคอยคือ 560kV, ด้านล่างของตัวหอคอยคือ 105kV, และสายฉนวนคือ 850kV.

แรงดันไฟฟ้าชั่วครู่บนสายฉนวนจะสูงกว่าแรงดันไฟฟ้าที่ตกกระทบบนยอดหอคอยอย่างมาก. เพราะเมื่อฟ้าผ่าลงมาที่แขนกางเขน, แขนกางเขนอยู่ตรงแรงดันยอดของแรงกระตุ้นฟ้าผ่า, และตัวนำอยู่ใกล้แขนกางเขน, ดังนั้นแรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกันระหว่างแขนกางเขนและตัวนำจึงมีมากกว่า. ค่าสูงสุดของแรงดันไฟฟ้าชั่วคราวบนสายฉนวนคือ 850kV, ซึ่งยังน้อยกว่าค่าความแข็งแรงของฉนวนของสายฉนวน, ดังนั้นจึงไม่มีการวาบไฟของฉนวนเกิดขึ้น. อย่างไรก็ตาม, ถ้าแรงดันไฟฟ้าอิมพัลส์ฟ้าผ่าสูงกว่าหรือประสิทธิภาพฉนวนของสายฉนวนลดลง, อาจเกิดการวาบไฟของฉนวนได้.

รูป 7 แสดงรูปคลื่นกระแสชั่วคราวของส่วนต่าง ๆ ของหอเสาเมื่อฟ้าผ่ากระทบแขนกางเขน (ความต้านทานต่อสายดินคือ 10Ω). ค่าสูงสุดของกระแสชั่วครู่ที่แขนกางเขนคือ 14.25kA, ด้านบนของหอคอยคือ 4.8kA, ตรงกลางของตัวทาวเวอร์คือ 9.5kA, ด้านล่างของตัวทาวเวอร์คือ 11.2kA, และกริดกราวด์คือ 11.2kA.

เมื่อเทียบกับสายฟ้าฟาดบนยอดหอคอย, กระแสไฟชั่วคราวที่ด้านบนของหอคอยมีขนาดเล็กลงอย่างมาก, ในขณะที่กระแสไฟชั่วคราวที่ตรงกลางของตัวหอคอยนั้นเล็กกว่าเล็กน้อย. เพราะเมื่อฟ้าผ่าลงมาที่แขนกางเขน, กระแสแบ่งออกเป็นสองส่วน: ส่วนหนึ่งไหลขึ้นไปบนยอดหอคอย, และอีกส่วนหนึ่งไหลลงสู่ก้นหอคอย. เนื่องจากค่าความต้านทานคลื่นที่สูงกว่าของยอดหอคอย, กระแสน้ำส่วนใหญ่ไหลลงสู่ด้านล่างของหอคอยและถูกฉีดลงดินผ่านตะแกรงกราวด์.

รูป 8 แสดงการกระจายตัวของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าชั่วคราวรอบเสาเสาที่ t=1.2μs เมื่อฟ้าผ่ากระทบแขนกางเขน (ความต้านทานต่อสายดินคือ 10Ω). ความเข้มของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าใกล้แขนกางเขนจะสูงที่สุด, โดยมีค่าสูงสุด 6.2×10⁵ V/m (ความเข้มของสนามไฟฟ้า) และ 1.6×10³ A/m (ความเข้มของสนามแม่เหล็ก), ซึ่งสูงกว่านั้นเมื่อฟ้าผ่าลงมาบนยอดหอคอย.

สนามแม่เหล็กไฟฟ้าชั่วคราวรอบเสา-หอคอยก็สลายตัวแบบทวีคูณตามระยะทางที่เพิ่มขึ้น. เมื่อระยะห่างจากคานขวาง 5 เมตร, ความเข้มของสนามไฟฟ้าคือ 1.3×10⁵ V/m, และความเข้มของสนามแม่เหล็กคือ 3.4×10² A/m; เมื่อเว้นระยะห่าง 10 เมตร, ความเข้มของสนามไฟฟ้าคือ 3.0×10⁴ V/m, และความเข้มของสนามแม่เหล็กคือ 7.8×10¹ A/m. ทิศทางของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าก็ชัดเจนเช่นกัน, และความเข้มของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าในทิศทางตั้งฉากกับแขนกางเขนจะสูงกว่าในทิศทางอื่น.

รูป 9 แสดงรูปคลื่นแรงดันไฟฟ้าชั่วครู่ของส่วนต่าง ๆ ของเสาเสาเมื่อฟ้าผ่ากระทบตัวนำ (ความต้านทานต่อสายดินคือ 10Ω). เมื่อฟ้าผ่าลงมาที่ตัวนำ, แรงดันไฟฟ้าชั่วคราวของตัวนำคือ 1425kV, สายฉนวนคือ 1425kV (เท่ากับแรงดันไฟฟ้าของตัวนำ), แขนกางเขนคือ 575kV, ด้านบนของหอคอยคือ 480kV, ตรงกลางของตัวหอคอยคือ 320kV, และด้านล่างของตัวหอคอยคือ 85kV.

แรงดันไฟฟ้าชั่วครู่บนสายฉนวนจะสูงที่สุดเมื่อฟ้าผ่ากระทบตัวนำ, ซึ่งเท่ากับค่าพีคของแรงดันไฟฟ้าอิมพัลส์ฟ้าผ่า. เนื่องจากตัวนำถูกฟ้าผ่าโดยตรง, และสายฉนวนรับแรงดันไฟฟ้าเต็มของแรงกระตุ้นฟ้าผ่า. ค่าสูงสุดของแรงดันไฟฟ้าชั่วคราวบนสายฉนวนคือ 1425kV, ซึ่งเท่ากับความแข็งแรงของฉนวนของสายฉนวน. ในเวลานี้, สายฉนวนอยู่ในสถานะวิกฤตของวาบไฟตามผิวฉนวน. หากแรงดันฟ้าผ่าอิมพัลส์สูงขึ้นเล็กน้อย, จะเกิดการวาบไฟของฉนวน, ทำให้เกิดการลัดวงจรระหว่างตัวนำกับแขนกางเขน.

รูป 10 แสดงรูปคลื่นกระแสชั่วครู่ของส่วนต่าง ๆ ของเสาเสาเมื่อฟ้าผ่ากระทบตัวนำ (ความต้านทานต่อสายดินคือ 10Ω). ค่าสูงสุดของกระแสชั่วคราวที่ตัวนำคือ 14.25kA, สายฉนวนคือ 14.25kA, แขนกางเขนคือ 12.5kA, ด้านบนของหอคอยคือ 3.2kA, ตรงกลางของตัวหอคอยคือ 9.8kA, ด้านล่างของตัวทาวเวอร์คือ 11.0kA, และกริดกราวด์คือ 11.0kA.

เมื่อฟ้าผ่าลงมาที่ตัวนำ, กระแสจะถูกส่งไปยังแขนกางเขนผ่านสายฉนวน, แล้วแบ่งออกเป็นสองส่วน: ส่วนหนึ่งไหลขึ้นไปบนยอดหอคอย, และอีกส่วนหนึ่งไหลลงสู่ก้นหอคอย. กระแสที่ไหลลงสู่ด้านล่างของหอคอยจะถูกฉีดลงสู่พื้นผ่านตะแกรงกราวด์. กระแสชั่วครู่ที่แขนกางเขนจะเล็กกว่ากระแสที่ตัวนำเล็กน้อย, ซึ่งเป็นเพราะกระแสไฟฟ้าส่วนเล็กๆ รั่วไหลสู่อากาศผ่านการกระจายประจุไฟฟ้าของแขนกางเขน.

รูป 11 แสดงการกระจายตัวของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าชั่วคราวรอบเสาเสาที่ t=1.2μs เมื่อฟ้าผ่ากระทบตัวนำ (ความต้านทานต่อสายดินคือ 10Ω). ความเข้มของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าใกล้กับตัวนำและสายฉนวนมีค่าสูงสุด, โดยมีค่าสูงสุด 6.5×10⁵ V/m (ความเข้มของสนามไฟฟ้า) และ 1.7×10³ A/m (ความเข้มของสนามแม่เหล็ก), ซึ่งสูงกว่านั้นเมื่อฟ้าผ่าลงมาที่ยอดหอคอยและแขนกางเขน.

สนามแม่เหล็กไฟฟ้าชั่วคราวรอบๆ เสา-หอคอยจะสลายตัวแบบทวีคูณตามระยะทางที่เพิ่มขึ้น. เมื่อระยะห่างจากตัวนำคือ 5 เมตร, ความเข้มของสนามไฟฟ้าคือ 1.4×10⁵ V/m, และความเข้มของสนามแม่เหล็กคือ 3.6×10² A/m; เมื่อเว้นระยะห่าง 10 เมตร, ความเข้มของสนามไฟฟ้าคือ 3.2×10⁴ V/m, และความเข้มของสนามแม่เหล็กคือ 8.2×10¹ A/m. สนามแม่เหล็กไฟฟ้าในทิศทางขนานกับตัวนำจะสูงกว่าสนามแม่เหล็กไฟฟ้าในทิศทางอื่น.

เพื่อศึกษาอิทธิพลของความต้านทานต่อกราวด์ต่อคุณลักษณะชั่วคราวทางแม่เหล็กไฟฟ้าของเสา-ทาวเวอร์, ค่าความต้านทานกราวด์ที่แตกต่างกันสี่ค่า (5โอ้, 10โอ้, 15โอ้, และ 20Ω) ได้รับการคัดเลือก, และตำแหน่งสายฟ้าฟาดได้รับการแก้ไขที่ด้านบนของหอคอย. การแปรผันของค่าพีคของแรงดันและกระแสชั่วครู่ที่ส่วนต่างๆ ของเสาทาวเวอร์ที่มีความต้านทานต่อสายดินแสดงไว้ในตาราง 2.

ความต้านทานต่อสายดิน (โอ้)	แรงดันไฟฟฉาชั่วคราวสูงสุดที่ยอดหอคอย (กิโลโวลต์)	แรงดันไฟกระชากสูงสุดที่ด้านล่างของทาวเวอร์ (กิโลโวลต์)	กระแสไฟฟ้าชั่วคราวสูงสุดที่ยอดหอคอย (ที่)	กระแสไฟฟ้าชั่วคราวสูงสุดที่ตารางกราวด์ (ที่)
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

ดูได้จากตาราง 2 ค่าพีคของแรงดันไฟฟ้าชั่วครู่ที่ด้านบนของทาวเวอร์ไม่ได้รับผลกระทบจากความต้านทานกราวด์, ซึ่งจะเท่ากับค่าพีคของแรงดันไฟฟ้าอิมพัลส์ฟ้าผ่าที่โหลดเสมอ. อย่างไรก็ตาม, ค่าสูงสุดของแรงดันไฟฟ้าชั่วครู่ที่ด้านล่างของทาวเวอร์จะเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญเมื่อความต้านทานต่อสายดินเพิ่มขึ้น. เมื่อความต้านทานกราวด์เพิ่มขึ้นจาก 5Ω เป็น 20Ω, ค่าสูงสุดของแรงดันไฟฟ้าชั่วคราวที่ด้านล่างของหอคอยเพิ่มขึ้นจาก 65kV เป็น 245kV, การเพิ่มขึ้นของ 277%.

ค่าพีคของกระแสชั่วครู่ที่ด้านบนของหอคอยก็ไม่ได้รับผลกระทบจากความต้านทานกราวด์เช่นกัน, ในขณะที่ค่าพีคของกระแสชั่วครู่ที่กริดกราวด์จะลดลงเมื่อความต้านทานกราวด์เพิ่มขึ้น. เมื่อความต้านทานกราวด์เพิ่มขึ้นจาก 5Ω เป็น 20Ω, ค่าสูงสุดของกระแสชั่วคราวที่กริดกราวด์ลดลงจาก 13.8kA เป็น 8.5kA, ลดลงของ 38.4%. เนื่องจากการเพิ่มขึ้นของความต้านทานกราวด์จะเพิ่มอิมพีแดนซ์ของลูปกราวด์, ช่วยลดกระแสที่ฉีดลงดิน.

การเพิ่มแรงดันไฟชั่วครู่ที่ด้านล่างของหอและการลดลงของกระแสไฟชั่วครู่ที่โครงข่ายกราวด์จะเพิ่มความเสี่ยงของการวาบไฟของฉนวนของเสาทาวเวอร์และอุปกรณ์ที่ต่ออยู่. ดังนั้น, การลดความต้านทานต่อสายดินเป็นมาตรการที่มีประสิทธิภาพในการปรับปรุงประสิทธิภาพการป้องกันฟ้าผ่าของเสาเสา.

จากการวิเคราะห์การจำลองข้างต้น, ข้อสรุปหลักเกี่ยวกับคุณลักษณะชั่วคราวทางแม่เหล็กไฟฟ้าของเสาเสาขนาด 500kV ภายใต้คลื่นเต็มแรงกระตุ้นฟ้าผ่ามีดังนี้:

(1) ตำแหน่งฟ้าผ่ามีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อการตอบสนองชั่วคราวทางแม่เหล็กไฟฟ้าของเสา-เสา. เมื่อฟ้าผ่าลงมาที่ตัวนำ, แรงดันไฟฟ้าชั่วครู่บนสายฉนวนจะสูงที่สุด, ซึ่งอยู่ในสถานะวิกฤติของฉนวนวาบไฟ; เมื่อสายฟ้าฟาดลงที่แขนกางเขน, ความเข้มของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าใกล้แขนกางเขนจะสูงที่สุด; เมื่อสายฟ้าฟาดลงมาบนยอดหอคอย, แรงดันและกระแสชั่วคราวที่ด้านบนของหอคอยจะสูงที่สุด.

(2) แรงดันไฟฟ้าชั่วครู่ของเสา-ทาวเวอร์จะค่อยๆ ลดลงจากจุดปะทะจนถึงด้านล่างของเสา, และกระแสชั่วคราวก็ลดลงเล็กน้อยเช่นกัน. สนามแม่เหล็กไฟฟ้าชั่วคราวรอบๆ เสา-หอคอยจะสลายตัวแบบทวีคูณตามระยะทางที่เพิ่มขึ้น, และมีทิศทางที่ชัดเจน.

(3) ความต้านทานต่อสายดินมีผลกระทบอย่างมากต่อการตอบสนองชั่วคราวทางแม่เหล็กไฟฟ้าของเสา-ทาวเวอร์. ด้วยการเพิ่มความต้านทานต่อสายดิน, แรงดันไฟฟ้าชั่วคราวที่ด้านล่างของหอคอยจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก, และกระแสไฟฟ้าชั่วครู่ที่กริดกราวด์จะลดลง, ซึ่งเพิ่มความเสี่ยงของการวาบไฟของฉนวน.

(4) สายฉนวนมีแรงดันไฟฟ้าชั่วคราวสูงสุดเมื่อฟ้าผ่าโดนตัวนำ, ซึ่งเป็นสภาวะการทำงานที่อันตรายที่สุดสำหรับสายฉนวน. ดังนั้น, ในการออกแบบป้องกันฟ้าผ่าของเสาเสา, ควรให้ความสนใจเป็นพิเศษกับการป้องกันสายฉนวนเมื่อฟ้าผ่าโดนตัวนำ.

เพื่อตรวจสอบความถูกต้องของแบบจำลองไฟไนต์เอลิเมนต์, แบบจำลองทดลองลดขนาดของเสาทาวเวอร์ขนาด 500kV ถูกสร้างขึ้นตามหลักการความคล้ายคลึงกัน. หลักการความคล้ายคลึงกันกำหนดให้ต้องมีพารามิเตอร์ทางเรขาคณิต, พารามิเตอร์วัสดุ, และพารามิเตอร์โหลดของโมเดลลดขนาดจะคล้ายกับของต้นแบบ [22]. อัตราส่วนขนาดของแบบจำลองลดขนาดต่อต้นแบบถูกตั้งค่าไว้ที่ 1:20, ซึ่งกำหนดตามขนาดของห้องปฏิบัติการและความจุของเครื่องกำเนิดฟ้าผ่า.

พารามิเตอร์ทางเรขาคณิตของแบบจำลองลดขนาดมีดังนี้: ความสูงรวมตัวหอคอย 2.25 ม, ความกว้างฐาน 0.4 ม, ความยาวแขนครอสคือ 0.6 ม. ตัวหอคอยและแขนกางเขนทำจากเหล็กฉาก Q235 โดยมีขนาดหน้าตัด 5 มม. × 5 มม. × 0.5 มม.. สายฉนวนทำจากแก้วออร์แกนิกที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 2 มม. และยาว 50 มม. ตัวนำเป็นลวดทองแดงเส้นผ่านศูนย์กลาง 1.25 มม. อุปกรณ์กราวด์เป็นตารางกราวด์แนวนอนที่มีความยาว 1 ม, ความกว้าง 1 ม, และความลึกฝังศพ 0.04 ม, และตัวนำสายดินเป็นลวดทองแดงที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.6 มม.

ในแง่ของการจับคู่พารามิเตอร์วัสดุ, ตามหลักการความคล้ายคลึงกัน, การอนุญาตสัมพัทธ์, ความสามารถในการซึมผ่านและการนำไฟฟ้าของวัสดุควรสอดคล้องกับต้นแบบเพื่อให้แน่ใจว่ามีลักษณะทางแม่เหล็กไฟฟ้าที่คล้ายคลึงกัน. เหล็ก Q235 ที่ใช้ในแบบจำลองลดขนาดมีค่าการนำไฟฟ้า 5.0×10⁶ S/m, ซึ่งใกล้เคียงกับ 5.8×10⁶ S/m ของเหล็ก Q355 ในต้นแบบ, และความแตกต่างอยู่ภายในช่วงข้อผิดพลาดทางการทดลองที่ยอมรับได้. ค่าอนุญาตสัมพัทธ์ของแก้วอินทรีย์คือ 3.2, ซึ่งอยู่ใกล้กับ 4.0 ของพลาสติกเสริมใยแก้วในต้นแบบ, และสามารถตอบสนองความต้องการการจำลองประสิทธิภาพของฉนวนได้. ดินที่ใช้ในการทดลองเป็นดินร่วนที่มีค่าการนำไฟฟ้าเท่ากับ 0.01 เอส/ม, ซึ่งเป็นแบบเดียวกับที่ตั้งไว้ในแบบจำลอง.

สำหรับการจับคู่พารามิเตอร์โหลด, คลื่นเต็มแรงกระตุ้นฟ้าผ่าที่ใช้กับแบบจำลองขนาดลดควรเป็นไปตามอัตราส่วนความคล้ายคลึงกันของแรงดันไฟฟ้า. ตามอัตราส่วนมาตราส่วนเรขาคณิตของ 1:20, อัตราส่วนสเกลแรงดันไฟฟ้าก็เช่นกัน 1:20. ดังนั้น, ค่าสูงสุดของแรงดันไฟฟ้าอิมพัลส์ฟ้าผ่าที่ใช้กับแบบจำลองขนาดลดคือ 1425 กิโลโวลต์ / 20 = 71.25KV, และพารามิเตอร์รูปคลื่นยังคงเป็น 1.2/50μs, ซึ่งสอดคล้องกับข้อกำหนดมาตรฐาน.

ระบบการทดลองส่วนใหญ่ประกอบด้วยเครื่องกำเนิดแรงกระตุ้นฟ้าผ่า, โมเดลเสา-ทาวเวอร์ขนาดลดขนาด, ระบบการวัด, และระบบสายดิน, ดังแสดงในรูป 12. เครื่องกำเนิดแรงกระตุ้นฟ้าผ่าเป็นประเภท GS-100kV, ซึ่งสามารถสร้างคลื่นเต็มคลื่นอิมพัลส์ฟ้าผ่ามาตรฐาน 1.2/50μs พร้อมแรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่ปรับได้จาก 0 ถึง 100kV, ตรงตามข้อกำหนดโหลดทดลอง.

ระบบการวัดประกอบด้วยตัวแบ่งไฟฟ้าแรงสูง, เซ็นเซอร์ปัจจุบัน, เซ็นเซอร์สนามแม่เหล็กไฟฟ้า, และระบบการรับข้อมูล. ตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าสูงคือตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าแบบ capacitive ที่มีอัตราส่วนการแบ่งแรงดันไฟฟ้าเท่ากับ 1000:1, ซึ่งใช้วัดแรงดันไฟชั่วขณะของแต่ละส่วนของเสา-ทาวเวอร์. เซ็นเซอร์ปัจจุบันเป็นคอยล์ Rogowski ที่มีช่วงการวัด 0-20kA และแบนด์วิธ 10Hz-10MHz, ซึ่งใช้ในการวัดกระแสชั่วคราวของตัวหอคอยและกริดกราวด์. เซ็นเซอร์สนามแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นหัววัดสนามแม่เหล็กไฟฟ้าบรอดแบนด์ที่มีช่วงการวัด 1V/m-10⁶ V/m (สนามไฟฟ้า) และ 0.1A/m-10³ A/m (สนามแม่เหล็ก), ซึ่งใช้ในการวัดสนามแม่เหล็กไฟฟ้าชั่วคราวรอบเสา-เสา. ระบบเก็บข้อมูลใช้ออสซิลโลสโคปแบบดิจิตอลที่มีอัตราการสุ่มตัวอย่าง 1GS/s และความลึกในการจัดเก็บ 10M, ซึ่งสามารถจับรูปคลื่นชั่วคราวของสัญญาณที่วัดได้อย่างแม่นยำ.

ระบบสายดินของระบบทดลองไม่ขึ้นอยู่กับระบบสายดินของห้องปฏิบัติการเพื่อหลีกเลี่ยงการรบกวนซึ่งกันและกัน. ความต้านทานกราวด์ของระบบกราวด์ทดลองสามารถปรับได้, และค่าความต้านทานสี่ค่าที่0.25Ω, 0.5โอ้, 0.75โอ้, และ 1Ω ถูกตั้งค่าตามอัตราส่วนความคล้ายคลึงกัน (สอดคล้องกับ5Ω, 10โอ้, 15โอ้, และ 20Ω ในแบบจำลอง). ตารางกราวด์ของระบบทดลองเชื่อมต่อกับอุปกรณ์กราวด์ของแบบจำลองลดขนาดเพื่อให้แน่ใจว่ากระแสฟ้าผ่าสามารถฉีดลงดินได้อย่างราบรื่น.

ขั้นตอนการทดลองดำเนินการตาม IEC 60060-1 มาตรฐานและข้อกำหนดที่เกี่ยวข้องของการทดสอบการป้องกันฟ้าผ่าของระบบไฟฟ้า, และแบ่งออกเป็นขั้นตอนต่างๆ ดังต่อไปนี้:

(1) การเตรียมการก่อนการทดลอง: ตรวจสอบความสมบูรณ์ของโมเดลลดขนาด, ตรวจสอบให้แน่ใจว่าการเชื่อมต่อระหว่างตัวหอคอย, ข้ามแขน, สายฉนวน, และตัวนำมีความน่าเชื่อถือ, และยืนยันว่าอุปกรณ์ต่อสายดินสัมผัสกับดินได้ดี. ปรับเทียบระบบการวัด, รวมถึงตัวแบ่งไฟฟ้าแรงสูง, เซ็นเซอร์ปัจจุบัน, และเซ็นเซอร์สนามแม่เหล็กไฟฟ้า, เพื่อให้มั่นใจถึงความถูกต้องของข้อมูลการวัด. ปรับเครื่องกำเนิดแรงกระตุ้นฟ้าผ่าเพื่อสร้างคลื่นเต็มมาตรฐาน 1.2/50μs โดยมีแรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่ 71.25kV.

(2) การโหลดแบบทดลองและการรวบรวมข้อมูล: ทำการทดลองภายใต้ตำแหน่งฟ้าผ่าสามตำแหน่ง (ด้านบนของหอคอย, ข้ามแขน, ตัวนำ) และค่าความต้านทานกราวด์สี่ค่าตามลำดับ. สำหรับแต่ละสภาพการทำงาน, เปิดเครื่องกำเนิดแรงกระตุ้นฟ้าผ่าเพื่อฉีดคลื่นเต็มคลื่นเข้าสู่จุดโจมตี, และใช้ระบบเก็บข้อมูลเพื่อรวบรวมแรงดันไฟกระชาก, กระแสชั่วคราว, และสัญญาณสนามแม่เหล็กไฟฟ้าชั่วคราวของแต่ละส่วนของหอเสา. แต่ละสภาพการทำงานซ้ำแล้วซ้ำอีก 5 ครั้งเพื่อลดข้อผิดพลาดแบบสุ่มของการทดสอบ, และมูลค่าเฉลี่ยของ 5 ชุดข้อมูลจะถูกนำมาเป็นผลการทดลองขั้นสุดท้าย.

(3) หลังการทดลองเสร็จสิ้น: ปิดอุปกรณ์ทดลองตามลำดับ, จัดเรียงข้อมูลการทดลองที่รวบรวมไว้, และกำจัดข้อมูลที่ไม่ถูกต้องพร้อมข้อผิดพลาดที่ชัดเจน. ทำความสะอาดสถานที่ทดลองและรักษาอุปกรณ์ทดลองให้อยู่ในสภาพดี.

รับสภาพการทำงานของฟ้าผ่าที่ด้านบนของหอคอยและความต้านทานต่อสายดินที่0.5Ω (สอดคล้องกับ10Ωในการจำลอง) เป็นตัวอย่าง, ผลการทดลองและผลการจำลองจะถูกเปรียบเทียบและวิเคราะห์. รูป 13 แสดงการเปรียบเทียบรูปคลื่นแรงดันไฟฟ้าชั่วคราวที่ตรงกลางของตัวทาวเวอร์ระหว่างการทดลองและการจำลอง. จากรูปที่เห็นได้ว่ารูปคลื่นการทดลองและรูปคลื่นจำลองมีแนวโน้มการเปลี่ยนแปลงที่เหมือนกัน: ทั้งสองเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วจนถึงค่าสูงสุดที่ประมาณ 1.2μs, แล้วก็สลายไปทีละน้อย. ค่าสูงสุดของแรงดันไฟฟ้าชั่วคราวที่ได้จากการทดลองคือ 39.3kV, และค่าสูงสุดที่ได้จากการจำลองคือ 41.2kV. ข้อผิดพลาดสัมพัทธ์คือ 4.6%, ซึ่งน้อยกว่า 8%.

รูป 14 แสดงการเปรียบเทียบรูปคลื่นกระแสชั่วคราวที่ตารางกราวด์ระหว่างการทดลองและการจำลอง. รูปคลื่นของการทดลองและรูปคลื่นของการจำลองก็มีความสม่ำเสมอที่ดีเช่นกัน. เวลาสูงสุดของกระแสทดลองคือประมาณ 1.5μs, และเวลาสูงสุดของกระแสจำลองก็ประมาณ 1.5μs เช่นกัน. ค่าสูงสุดของกระแสทดลองคือ 0.57kA, และค่าสูงสุดของกระแสจำลองคือ 0.59kA. ข้อผิดพลาดสัมพัทธ์คือ 3.4%, ซึ่งอยู่ในขอบเขตที่ยอมรับได้.

รูป 15 แสดงการเปรียบเทียบความเข้มของสนามไฟฟ้าที่ระยะ 5 เมตรจากตัวหอคอยระหว่างการทดลองและการจำลอง. จุดสูงสุดของความเข้มของสนามไฟฟ้าทดลองคือ 6.1×10³ V/m, และจุดสูงสุดของความเข้มของสนามไฟฟ้าจำลองคือ 6.4×10³ V/m. ข้อผิดพลาดสัมพัทธ์คือ 4.7%, ซึ่งก็น้อยกว่าเช่นกัน 8%. ความเข้มของสนามแม่เหล็กที่ตำแหน่งเดียวกันก็มีความสม่ำเสมอที่ดีเช่นกัน, โดยมีข้อผิดพลาดสัมพัทธ์ของ 5.2%.

ตาราง 3 แสดงการเปรียบเทียบค่าพีคของแรงดันไฟกระชาก, กระแสชั่วคราว, และความเข้มของสนามไฟฟ้าภายใต้สภาวะการทำงานที่แตกต่างกัน. จากตารางจะเห็นได้ว่าข้อผิดพลาดสัมพัทธ์ระหว่างผลการทดลองและผลการจำลองภายใต้สภาวะการทำงานทั้งหมดมีค่าน้อยกว่า 8%, ซึ่งบ่งชี้ว่าแบบจำลองไฟไนต์เอลิเมนต์ที่สร้างขึ้นในบทความนี้มีความแม่นยำและความน่าเชื่อถือสูง, และสามารถจำลองกระบวนการแม่เหล็กไฟฟ้าชั่วคราวของเสาไฟฟ้าขนาด 500kV ได้อย่างแม่นยำภายใต้คลื่นเต็มแรงกระตุ้นฟ้าผ่า.

สภาพการทำงาน	ประเภทพารามิเตอร์	มูลค่าการทดลอง	ค่าการจำลอง	ข้อผิดพลาดสัมพัทธ์ (%)
สายฟ้าฟาดด้านบน, ร=0.5Ω	ทาวเวอร์แรงดันไฟฟ้ากลาง (กิโลโวลต์)	39.3	41.2	4.6
สายฟ้าฟาดด้านบน, ร=0.5Ω	กระแสกริดกราวด์ (ที่)	0.57	0.59	3.4
สายฟ้าฟาดข้ามแขน, ร=0.5Ω	แรงดันไฟฟ้าข้ามแขน (กิโลโวลต์)	71.3	74.5	4.3
ตัวนำฟ้าผ่า, ร=0.5Ω	แรงดันไฟฟ้าของสายฉนวน (กิโลโวลต์)	71.2	76.8	7.7
สายฟ้าฟาดด้านบน, R=1Ω	5เมตร สนามไฟฟ้า (×10³ โวลต์/ม)	3.2	3.4	5.9

สาเหตุหลักที่ทำให้เกิดข้อผิดพลาดเล็กน้อยระหว่างผลการทดลองและผลการจำลองคือ: (1) ลดความซับซ้อนของแบบจำลอง, เช่น การละเลยการเชื่อมต่อโบลต์และส่วนประกอบขนาดเล็ก, ทำให้เกิดความแตกต่างเล็กน้อยระหว่างแบบจำลองและโครงสร้างจริง; (2) ปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อมในการทดลอง, เช่นความชื้นและอุณหภูมิของอากาศ, มีผลกระทบเล็กน้อยต่อการกระจายสนามแม่เหล็กไฟฟ้า; (3) ข้อผิดพลาดในการวัดของอุปกรณ์ทดลองนั้นเอง. อย่างไรก็ตาม, ข้อผิดพลาดเหล่านี้อยู่ในช่วงการวิจัยทางวิศวกรรมและวิชาการที่ยอมรับได้, ซึ่งตรวจสอบเหตุผลและความถูกต้องของแบบจำลองได้ครบถ้วน.

ในบทความนี้, การศึกษาที่ครอบคลุมเกี่ยวกับคุณลักษณะชั่วคราวทางแม่เหล็กไฟฟ้าของเสาสายส่ง 500kV ภายใต้คลื่นเต็มแรงกระตุ้นฟ้าผ่า ดำเนินการโดยการรวมการวิเคราะห์ทางทฤษฎี, การจำลององค์ประกอบอันจำกัด, และการตรวจสอบการทดลอง. ข้อสรุปการวิจัยหลักมีดังนี้:

(1) ระบบทางทฤษฎีของคุณลักษณะชั่วคราวทางแม่เหล็กไฟฟ้าของเสาไฟฟ้าขนาด 500 กิโลโวลต์ภายใต้แรงกระตุ้นฟ้าผ่าถูกสร้างขึ้น. แรงกระตุ้นฟ้าผ่ามาตรฐานเต็มคลื่น (1.2/50ไมโครวินาที) เป็นไปตามการแจกแจงฟังก์ชันเลขชี้กำลังสองเท่า, และกระบวนการชั่วคราวทางแม่เหล็กไฟฟ้าของเสา-ทาวเวอร์ถูกควบคุมโดยสมการของแมกซ์เวลล์. การตอบสนองชั่วคราวของเสา-ทาวเวอร์เป็นผลมาจากการกระทำที่ครอบคลุมของการกระจายแรงดันและกระแส, การมีเพศสัมพันธ์ของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า, การตอบสนองของฉนวน, และกลไกการตอบสนองแบบกราวด์.

(2) ได้มีการสร้างแบบจำลองไฟไนต์เอลิเมนต์สามมิติที่มีความแม่นยำสูงของเสาเหล็กมุม 500kV. แบบจำลองจะพิจารณาลักษณะทางเรขาคณิตของตัวหอคอย, ข้ามแขน, สายฉนวน, และอุปกรณ์ต่อสายดิน, และตั้งค่าพารามิเตอร์วัสดุและเงื่อนไขขอบเขตได้อย่างแม่นยำ. ผลการจำลองแสดงให้เห็นว่าแบบจำลองสามารถจับภาพกระบวนการชั่วคราวทางแม่เหล็กไฟฟ้าของเสา-ทาวเวอร์ภายใต้แรงกระตุ้นฟ้าผ่าได้อย่างมีประสิทธิภาพ.

(3) ตำแหน่งฟ้าผ่าและความต้านทานต่อสายดินเป็นปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อการตอบสนองชั่วคราวทางแม่เหล็กไฟฟ้าของเสา-ทาวเวอร์. เมื่อฟ้าผ่าลงมาที่ตัวนำ, สายฉนวนมีแรงดันไฟกระชากสูงสุด (1425กิโลโวลต์), ซึ่งอยู่ในสถานะวาบไฟตามผิวทางวิกฤต; เมื่อสายฟ้าฟาดลงที่แขนกางเขน, ความเข้มของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าใกล้แขนกางเขนจะสูงที่สุด (6.2×10⁵ โวลต์/ม); เมื่อสายฟ้าฟาดลงมาบนยอดหอคอย, แรงดันและกระแสชั่วคราวที่ด้านบนของหอคอยจะสูงที่สุด. ด้วยการเพิ่มความต้านทานต่อสายดินจาก 5Ω เป็น 20Ω, แรงดันไฟฟ้าชั่วคราวที่ด้านล่างของหอคอยจะเพิ่มขึ้น 277%, และกระแสไฟฟ้าชั่วครู่ที่กริดกราวด์ลดลง 38.4%, ซึ่งเพิ่มความเสี่ยงของการวาบไฟของฉนวนอย่างมีนัยสำคัญ.

(4) สนามแม่เหล็กไฟฟ้าชั่วคราวรอบๆ เสาเสามีลักษณะการกระจายเชิงพื้นที่ที่ชัดเจน. มันจะสลายตัวแบบทวีคูณตามระยะห่างจากตัวหอคอยที่เพิ่มขึ้น, และมีทิศทางสำคัญ. ความเข้มของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าในทิศทางที่เกิดฟ้าผ่าจะสูงที่สุดที่ระยะห่างเท่ากัน.

(5) ผลการตรวจสอบการทดลองแสดงให้เห็นว่าข้อผิดพลาดสัมพัทธ์ระหว่างผลการทดลองกับผลการจำลองมีค่าน้อยกว่า 8%, ซึ่งยืนยันความน่าเชื่อถือและความแม่นยำของแบบจำลอง. ผลการวิจัยเป็นพื้นฐานทางทฤษฎีและทางเทคนิคที่เชื่อถือได้สำหรับการออกแบบป้องกันฟ้าผ่าของเสาเสาสายส่งขนาด 500kV.

จากผลการวิจัย, คำแนะนำในการเพิ่มประสิทธิภาพต่อไปนี้ได้รับการหยิบยกมาสำหรับการออกแบบป้องกันฟ้าผ่าของเสาเสาสายส่งขนาด 500kV:

(1) เสริมสร้างการป้องกันสายฉนวนภายใต้สภาวะฟ้าผ่าของตัวนำ. ขอแนะนำให้ติดตั้งตัวจับโลหะออกไซด์บนสายฉนวนของเสาเสาสายส่ง 500kV, โดยเฉพาะในบริเวณที่เกิดฟ้าผ่า. Arrester สามารถจำกัดแรงดันไฟฟ้าเกินชั่วคราวบนสายฉนวนได้, หลีกเลี่ยงการวาบไฟของฉนวน, และปกป้องสายฉนวนและตัวนำ.

(2) ลดความต้านทานต่อสายดินของเสา-ทาวเวอร์. ใช้มาตรการต่างๆ เช่น การขยายตารางสายดิน, การวางอิเล็กโทรดกราวด์แนวนอนและแนวตั้ง, และใช้สารรีดิวซ์ความต้านทานกราวด์เพื่อลดความต้านทานกราวด์ของเสา-ทาวเวอร์ให้น้อยกว่า 5Ω. สิ่งนี้สามารถลดแรงดันไฟฟ้าชั่วคราวที่ด้านล่างของทาวเวอร์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ, เพิ่มกระแสชั่วคราวที่ฉีดลงดิน, และปรับปรุงประสิทธิภาพการป้องกันฟ้าผ่าของเสาเสา.

(3) ปรับโครงสร้างเสา-ทาวเวอร์ให้เหมาะสม. สำหรับคานขวางและส่วนบนของหอคอยที่มีแนวโน้มจะมีความเข้มของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าสูง, เพิ่มพื้นที่หน้าตัดของเหล็กฉากให้เหมาะสม หรือใช้ท่อเหล็กที่มีค่าการนำไฟฟ้าดีกว่า เพื่อลด Impedance คลื่นของตัวหอ, จึงช่วยลดแรงดันและการกระจายกระแสชั่วคราว. ในเวลาเดียวกัน, ออกแบบระยะห่างระหว่างแขนกางเขนและตัวนำอย่างสมเหตุสมผลเพื่อเพิ่มระยะห่างของฉนวน.

(4) เสริมสร้างการตรวจสอบการป้องกันฟ้าผ่าของสายส่ง. ติดตั้งอุปกรณ์ตรวจสอบฟ้าผ่าบนเสาสายส่ง 500kV ที่สำคัญ เพื่อตรวจสอบพารามิเตอร์ฟ้าผ่าแบบเรียลไทม์ (เช่น กระแสฟ้าผ่าสูงสุด, รูปคลื่น, ตำแหน่งนัดหยุดงาน) และการตอบสนองชั่วคราวของเสาเสา. ซึ่งสามารถให้การสนับสนุนข้อมูลสำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบป้องกันฟ้าผ่าและการบำรุงรักษาสายส่ง.

แม้ว่าบทความนี้ได้ทำการวิจัยเชิงลึกเกี่ยวกับคุณลักษณะชั่วคราวทางแม่เหล็กไฟฟ้าของเสาทาวเวอร์ขนาด 500kV ภายใต้คลื่นเต็มแรงกระตุ้นฟ้าผ่า, ยังมีบางประเด็นที่ต้องศึกษาเพิ่มเติมในอนาคต:

(1) การวิจัยเกี่ยวกับคุณลักษณะชั่วคราวทางแม่เหล็กไฟฟ้าภายใต้รูปคลื่นแรงกระตุ้นฟ้าผ่าที่ไม่ได้มาตรฐาน. ฟ้าผ่าตามธรรมชาติรวมถึงด้านหน้าที่สูงชัน, หางยาว, และแรงกระตุ้นฟ้าผ่าหลายจังหวะ. การวิจัยในอนาคตควรมุ่งเน้นไปที่การตอบสนองชั่วคราวทางแม่เหล็กไฟฟ้าของเสาเสาภายใต้รูปคลื่นที่ไม่ได้มาตรฐานเหล่านี้, และประเมินประสิทธิภาพการป้องกันฟ้าผ่าของเสาเสาอย่างครอบคลุม.

(2) การวิจัยเกี่ยวกับอิทธิพลของปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อมที่ซับซ้อน. การวิจัยในปัจจุบันไม่ได้คำนึงถึงอิทธิพลของปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อม เช่น ฝน, หิมะ, และลมบนคุณลักษณะชั่วคราวทางแม่เหล็กไฟฟ้าของเสาเสา. การวิจัยในอนาคตควรสร้างแบบจำลองโดยคำนึงถึงปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อมที่ซับซ้อน, และวิเคราะห์อิทธิพลของปัจจัยเหล่านี้ต่อการตอบสนองชั่วคราวของเสาเสา.

(3) การวิจัยเกี่ยวกับการมีเพศสัมพันธ์ชั่วคราวทางแม่เหล็กไฟฟ้าระหว่างเสาเสาและอุปกรณ์ที่อยู่ติดกัน. เสาส่งสายส่งขนาด 500kV อยู่ติดกับอุปกรณ์ เช่น เสาสื่อสารและตู้จ่ายไฟ. สนามแม่เหล็กไฟฟ้าชั่วคราวที่เกิดจากฟ้าผ่าอาจมีผลกระทบต่ออุปกรณ์ที่อยู่ติดกันเหล่านี้. การวิจัยในอนาคตควรศึกษาการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าระหว่างเสาเสาและอุปกรณ์ที่อยู่ติดกัน, และเสนอมาตรการป้องกันการรบกวนที่สอดคล้องกัน.

(4) การพัฒนาเทคโนโลยีป้องกันฟ้าผ่าอัจฉริยะสำหรับเสาเสา. ผสมผสานเทคโนโลยีเกิดใหม่ เช่น ปัญญาประดิษฐ์และข้อมูลขนาดใหญ่ เพื่อสร้างระบบป้องกันฟ้าผ่าอัจฉริยะสำหรับเสาเสาสายส่งขนาด 500kV. ระบบสามารถทำนายฟ้าผ่าได้, ปรับมาตรการป้องกันฟ้าผ่าแบบเรียลไทม์, และปรับปรุงความสามารถในการป้องกันฟ้าผ่าแบบแอคทีฟของระบบไฟฟ้า.