soyut: 500kV yüksek gerilim iletim hatlarının temel bileşeni olarak, direk kuleleri, iletkenleri destekleme ve topraklama gibi ikili işlevleri taşır. Yıldırım çarpmaları, iletim hatlarının güvenli ve istikrarlı çalışmasına yönelik ana tehditlerden biridir., ve direk kulelerinin yıldırım darbesi tam dalgaları altındaki elektromanyetik geçici tepkisi, tüm güç sisteminin yalıtım koordinasyonunu ve yıldırımdan korunma tasarımını doğrudan etkiler.. Çelik kafes direklerin davranışı literatürde araştırılmıştır., 500kV iletim hattı direk kulelerinin yıldırım darbesi tam dalgası altında elektromanyetik geçici özellikleri üzerine kapsamlı bir çalışma, teorik analizlerin birleştirilmesiyle gerçekleştirilmiştir., sonlu eleman simülasyonu, ve deneysel testler. İlk, Yıldırım darbesi altındaki elektromanyetik geçici olayların teorik temeli detaylandırılmıştır, Yıldırım darbesi tam dalgalarının özellikleri dahil, elektromanyetik alan dağıtım kanunu, ve direk-kule yapılarının geçici tepki mekanizması. Daha sonra, 500kV açının üç boyutlu sonlu eleman modeli çelik kutup-kule ANSYS Maxwell yazılımı kullanılarak kurulur, ve yıldırım darbesi tam dalgası (1.2/50μs) kutup-kulenin elektromanyetik geçici sürecini simüle etmek için uygulanır. Geçici voltajın dağılım özellikleri, geçici akım, ve farklı yıldırım çarpması pozisyonları altında direk kulesinin geçici elektromanyetik alanı (kulenin tepesi, çapraz kol, ve orkestra şefi) ve farklı topraklama direnci değerleri analiz edilir. Bu sırada, benzerlik ilkesine dayalı olarak kutup kulesinin küçültülmüş ölçekli deneysel modeli inşa edilmiştir, Simülasyon sonuçlarının doğruluğunu doğrulamak için yıldırım darbesi tam dalga testleri gerçekleştirilir.. Sonuçlar şunu gösteriyor: (1) Yıldırım çarpması konumu, direk-kulenin elektromanyetik geçici tepkisi üzerinde önemli bir etkiye sahiptir.. Kulenin tepesindeki geçici voltaj ve akım, kulenin tepesine yıldırım düştüğünde en yüksektir, ve çapraz kol yakınındaki elektromanyetik alan yoğunluğu, çapraz kola yıldırım düştüğünde en yüksektir. (2) Topraklama direncinin artmasıyla, kutup kulesinin her bir kısmındaki geçici voltaj önemli ölçüde artar, ve geçici akımın zayıflama oranı azalır, bu da izolasyon flashover riskini artırır. (3) Kutup-kule etrafındaki geçici elektromanyetik alan, mesafenin artmasıyla birlikte üstel olarak azalır., ve aynı mesafedeki elektromanyetik alan yoğunluğu yıldırım çarpması yönünde en büyüktür. (4) Simülasyon sonuçları deneysel sonuçlarla iyi bir uyum içindedir, daha az bir hatayla 8%, kurulan sonlu eleman modelinin güvenilirliğini doğrulayan. Bu çalışma, yıldırımdan korunma tasarımının optimizasyonu için teorik bir temel ve teknik destek sağlamaktadır., izolasyon koordinasyonu, ve 500kV iletim hattı direk kulelerinin güvenli çalışması.

Anahtar kelimeler: 500kV iletim hattı; direk kulesi; yıldırım darbesi tam dalga; elektromanyetik geçici; sonlu eleman simülasyonu; deneysel doğrulama

Enerji sektörünün hızla gelişmesiyle birlikte, 500kV yüksek gerilim iletim hatları ulusal enerji şebekesinin önemli bir parçası haline geldi, Uzun mesafeli ve büyük kapasiteli enerji iletiminde önemli bir görev üstleniyor. 500kV iletim hatlarının güvenli ve istikrarlı çalışması, tüm güç sisteminin güvenilirliği ve toplumsal üretimin ve yaşamın normal işleyişiyle doğrudan ilgilidir.. ancak, Yıldırım çarpmaları iletim hatlarının güvenli çalışmasını tehdit eden en önemli doğal afetlerden biridir.. İstatistiklere göre, Yıldırımdan kaynaklanan arızalar birden fazla sorumluluğa sahiptir 40% yüksek gerilim iletim hatlarındaki toplam arızaların oranı, ve yıldırıma maruz kalan bazı bölgelerde, bu oran daha da fazlasına ulaşabilir 60% [1]. Bir iletim hattına veya direk kulesine yıldırım düştüğünde, güçlü bir yıldırım darbesi tam dalgası üretilecek, kutup-kule yapısında karmaşık elektromanyetik geçici olaylara neden olacak. Bu geçici olaylar, direk kulesinde ve ona bağlı ekipmanlarda aşırı gerilime ve aşırı akıma neden olacaktır., izolasyon flashoverına yol açabilir, ekipman hasarı, ve hatta elektrik kesintileri, Büyük ekonomik kayıplara ve sosyal etkilere neden olan [2-3].

İletim hattının temel destekleyici ve topraklama bileşeni olarak, Yıldırım darbesi tam dalgası altında direk-kulenin elektromanyetik geçici tepkisi, iletim hattının yıldırımdan korunma tasarımının temel sorunudur. Direk kulesi genellikle açılı çelikten yapılır, çelik boru, veya beton, ve yapısı karmaşıktır, kule gövdesi gibi birden fazla bileşeni içeren, çapraz kol, yalıtkan dize, ve topraklama cihazı. Yıldırım düştüğünde, direk-kulenin elektromanyetik geçici süreci birçok faktörden etkilenir, yıldırım çarpması pozisyonu gibi, yıldırım akımı parametreleri, topraklama direnci, ve direk-kule yapısı [4]. bu nedenle, Yıldırım darbesi tam dalgası altında 500kV direk kulelerinin elektromanyetik geçici özelliklerinin derinlemesine incelenmesi, Geçici voltajın dağıtım kanununa hakim olmak, şimdiki, ve elektromanyetik alan, ve çeşitli faktörlerin geçici tepki üzerindeki etkisinin açıklığa kavuşturulması, direk kulelerinin yıldırımdan korunma tasarımını optimize etmek için büyük önem taşımaktadır., Güç sisteminin yalıtım koordinasyon düzeyinin iyileştirilmesi, ve 500kV iletim hatlarının güvenli ve istikrarlı çalışmasının sağlanması.

Son yıllarda, Bilgisayar simülasyon teknolojisinin ve deneysel test teknolojisinin sürekli gelişmesiyle, Yıldırım darbesi altındaki güç ekipmanlarının elektromanyetik geçici özellikleri üzerine yapılan araştırmalar büyük ilerleme kaydetti. ancak, 500kV direk kulelerinin karmaşık yapısı ve yıldırım çarpmalarının güçlü rastgeleliği nedeniyle, Direk kulelerinin elektromanyetik geçici karakteristikleri üzerine yapılan araştırmalarda hala çözülmesi gereken birçok problem bulunmaktadır.: (1) Mevcut araştırmalar çoğunlukla tüm iletim hattının yıldırımdan korunma performansına odaklanmaktadır., ve direk kulesinin elektromanyetik geçici tepkisi üzerine yapılan araştırma yeterince derinlemesine değil; (2) Farklı yıldırım düşme pozisyonlarının ve topraklama direnci değerlerinin direk-kulenin elektromanyetik geçici özellikleri üzerindeki etkisi sistematik olarak araştırılmamıştır.; (3) Simülasyon modelinin doğruluğunun daha güvenilir deneysel verilerle doğrulanması gerekiyor. bu nedenle, 500kV iletim hattı direk kulelerinin yıldırım darbesi tam dalga altında elektromanyetik geçici özellikleri üzerine kapsamlı ve derinlemesine bir çalışmanın yapılması gerekmektedir..

Yabancı akademisyenler daha önce iletim hatlarının yıldırımdan korunması ve direk kulelerinin elektromanyetik geçici özellikleri üzerine birçok araştırma yürütmüşlerdi.. 1970'lerde, Wagner gibi bilim adamları ilk olarak yıldırım aşırı geriliminin ilerleyen dalga teorisini önerdiler, direk kulelerinin elektromanyetik geçici olaylarının incelenmesi için teorik bir temel attı [5]. Bilgisayar teknolojisinin gelişmesiyle birlikte, Sonlu elemanlar simülasyon yöntemleri, direk kulelerinin elektromanyetik geçici durumlarının incelenmesinde yaygın olarak kullanılmaktadır.. Örneğin, D'Alessandro ve diğerleri. COMSOL Multiphysics yazılımını kullanarak bir iletim hattı direk kulesinin iki boyutlu sonlu eleman modelini oluşturdu, Yıldırım darbesi altında elektromanyetik geçici süreci simüle etti, ve geçici gerilim ve akımın dağıtım yasasını analiz etti [6]. Petrache ve diğerleri. Simülasyon ve deney yoluyla yıldırım akımı parametrelerinin kutup kulelerinin elektromanyetik geçici tepkisi üzerindeki etkisini inceledi, ve direk kulelerinin yıldırımdan korunma tasarımı için bir optimizasyon şeması önerdi [7]. ek olarak, yabancı bilim adamları da direk kulelerinin yıldırım etkisi altındaki topraklama performansı üzerine birçok araştırma yürüttüler., ve topraklama direncinin ve topraklama ızgara yapısının geçici tepki üzerindeki etkisini inceledi [8-9].

500kV iletim hattı direk kulelerinin yıldırım darbesi altındaki elektromanyetik geçici özellikleri üzerine yurt içi araştırmalar son yıllarda hızla gelişmiştir.. Birçok üniversite ve araştırma kurumu bu alanda derinlemesine araştırmalar yürütmüştür.. Örneğin, Wang ve diğerleri. ANSYS yazılımını kullanarak 500kV açılı çelik direk-kulenin üç boyutlu sonlu eleman modelini oluşturdu, yıldırım darbesi geçici sürecini simüle etti, ve geçici elektromanyetik alanın kutup-kule etrafındaki dağılımını analiz etti [10]. Li ve diğerleri. bir direk kulesinin küçültülmüş ölçekli bir deneysel modelini oluşturdu, yıldırım darbesi tam dalga testleri gerçekleştirildi, ve farklı yıldırım çarpması pozisyonları altında direk kulesinin geçici voltaj tepki özelliklerini inceledik [11]. Zhang ve diğerleri.. topraklama direncinin 500kV direk kulelerinin elektromanyetik geçici tepkisi üzerindeki etkisini simülasyon ve deney yoluyla inceledi, ve yıldırımdan korunma performansını artırmak için topraklama direncini azaltacak bir yöntem önerdi [12]. ancak, Mevcut yurt içi araştırmalarda hala bazı eksiklikler bulunmaktadır.: (1) Simülasyon modeli yeterince ayrıntılı değil, ve direk kulesindeki bazı ince yapıların etkisi (köşebent çelikleri ile izolatör dizisi arasındaki bağlantı gibi) geçici yanıt dikkate alınmaz; (2) Deneysel araştırmanın sistematikliği güçlü değil, ve simülasyon modelinin doğrulanması kapsamlı değildir; (3) Direk-kule ile iletken arasındaki elektromanyetik geçici kuplaj mekanizması üzerine yapılan araştırmalar yeterince derinlemesine değildir.

Bu makalenin ana amaçları şunlardır:: (1) Yıldırım darbesi tam dalga altında 500kV iletim hattı direk kulelerinin elektromanyetik geçici özelliklerinin teorik temelini detaylandırmak, Yıldırım darbesi tam dalgalarının özellikleri dahil, elektromanyetik alan dağıtım kanunu, ve geçici yanıt mekanizması; (2) 500kV açılı çelik direk-kulenin yüksek hassasiyetli üç boyutlu sonlu eleman modelini oluşturmak, ve yıldırım darbesi tam dalga altında elektromanyetik geçici süreci simüle edin; (3) Geçici voltajın dağılım özelliklerini analiz etmek, geçici akım, ve farklı etkileyici faktörler altında kutup kulesinin geçici elektromanyetik alanı (yıldırım çarpması pozisyonu, topraklama direnci); (4) Direk kulesinin küçültülmüş ölçekli deneysel modelini oluşturmak, Yıldırım darbesi tam dalga testlerini gerçekleştirin, ve simülasyon modelinin doğruluğunun doğrulanması; (5) Araştırma sonuçlarına dayanarak 500kV iletim hattı direk-direklerinin yıldırımdan korunma tasarımına yönelik optimizasyon önerilerinin ortaya konulması.

Bu makalenin araştırma kapsamı şunları içerir:: (1) Mühendislikte yaygın olarak kullanılan 500kV açılı çelik direk kulesi; (2) 1,2/50μs parametreli yıldırım darbesi tam dalgası (ön zaman/yarım yoğun zaman) IEC standardına uygundur; (3) Üç tipik yıldırım çarpması pozisyonu: kulenin tepesi, çapraz kol, ve orkestra şefi; (4) Dört tipik topraklama direnci değeri: 5Ah, 10Ah, 15Ah, ve 20Ω; (5) Kutup kulesinin elektromanyetik geçici özellikleri, geçici voltaj dahil, geçici akım, ve geçici elektromanyetik alan dağılımı.

Bu makale altı bölüme ayrılmıştır. Bölüm 1 tanıtım mı, Araştırmanın arka planını ve önemini detaylandıran, yurtiçi ve yurtdışındaki araştırma durumunu özetler, Araştırma hedeflerini ve kapsamını netleştirir, ve tezin yapısını tanıtır. Bölüm 2 Yıldırım darbesi altında elektromanyetik geçici olayların teorik temellerini tanıtır, Yıldırım darbesi tam dalgalarının özellikleri dahil, elektromanyetik geçici olayların temel teorisi, ve direk-kule yapılarının geçici tepki mekanizması. Bölüm 3 500kV direk kulesinin sonlu eleman simülasyon modelinin kurulmasını açıklar, model basitleştirmesi dahil, malzeme parametreleri, sınır koşulları, ve yıldırım darbesi tam dalgalarının yüklenmesi. Bölüm 4 farklı etkileyici faktörler altında direk-kulenin elektromanyetik geçici özelliklerinin simülasyon sonuçlarını analiz eder. Bölüm 5 küçültülmüş ölçekli deneysel modelin tasarımını ve uygulamasını tanıtır, Simülasyon sonuçlarını deneysel testlerle doğrular. Bölüm 6 sonuç ve olasılık, ana araştırma sonuçlarını özetleyen, 500kV direk kulelerinin yıldırımdan korunma tasarımı için optimizasyon önerilerini ortaya koyuyor, ve gelecekteki araştırma yönünü sabırsızlıkla bekliyorum.

Yıldırım darbesi, kısa süreli ve yüksek genlikli bir tür geçici aşırı gerilimdir.. Yıldırım darbesi tam dalgası genellikle iki parametreyle tanımlanır.: ön zaman (T1) ve yarı yoğun zaman (T2). IEC'ye göre 60060-1 standart, standart yıldırım darbesi tam dalgasının ön süresi 1,2μs'dir (tolerans ±30%) ve 50μs'lik yarı zirve süresi (tolerans ± ), 1,2/50μs olarak kaydedilen [13]. Standart yıldırım darbesi tam dalgasının dalga biçimi Şekilde gösterilmektedir. 1.

Standart yıldırım darbesi tam dalgasının matematiksel ifadesi, çift üstel fonksiyonla açıklanabilir. [14]:

Nerede: \( U_m \) yıldırım darbe geriliminin tepe değeridir; \( \tau_1 \) ön zaman sabiti, dalga cephesinin dikliğini belirleyen; \( \tau_2 \) kuyruk zaman sabiti mi, dalga kuyruğunun süresini belirleyen şey; \( t \) zamanı geldi.

Doğal yıldırım tarafından üretilen yıldırım darbe geriliminin tepe değeri yüzlerce kilovolttan milyonlarca kilovolta kadar ulaşabilir., ve yıldırım akımının tepe değeri onlarca kiloamperden yüzlerce kiloampere kadar ulaşabilir. 500kV iletim hatları için, yıldırım darbesi voltaj seviyesi genellikle 1425kV'dur, güç sisteminin izolasyon koordinasyon gereksinimlerine göre belirlenir [15]. Yıldırım çarpması meydana geldiğinde, yıldırım darbesi tam dalgası, çarpma noktasından direk kulesine enjekte edilecektir, ve sonra kule gövdesi boyunca yere doğru yayıldı, karmaşık elektromanyetik geçici olayların tetiklenmesi.

Standart 1,2/50μs tam dalgaya ek olarak, doğada dik ön yıldırım darbeleri ve uzun kuyruklu yıldırım darbeleri de vardır. Dik ön yıldırım darbesinin ön süresi daha kısadır (1μs'den az) ve daha yüksek bir dalga cephesi dikliği, direk kulesinin yalıtımı üzerinde daha büyük bir etkiye sahip olan. Uzun kuyruklu yıldırım darbesinin yarı tepe süresi daha uzundur (50μs'den fazla), Ekipmanda kümülatif hasara neden olabilecek. ancak, standart 1,2/50μs yıldırım darbesi tam dalgası en temsili olanıdır, dolayısıyla bu makale, bu dalga biçimi altındaki kutup kulesinin elektromanyetik geçici özelliklerine odaklanmaktadır..

Yıldırım darbesi altında direk-kulenin elektromanyetik geçici süreci karmaşık bir elektromanyetik alan birleştirme problemidir, Maxwell denklemlerini takip eden [16]. Maxwell denklemleri elektromanyetik alanı tanımlayan temel denklemlerdir, Gauss'un elektrik yasası dahil, Gauss'un manyetizma yasası, Faraday'ın elektromanyetik indüksiyon yasası, ve Ampère-Maxwell yasası. Maxwell denklemlerinin diferansiyel formu aşağıdaki gibidir:

Nerede: \( \vek{D} \) elektrik yer değiştirme vektörüdür; \( \rho_v \) hacimsel yük yoğunluğu; \( \vek{B} \) manyetik indüksiyon yoğunluğudur; \( \vek{e} \) elektrik alan yoğunluğudur; \( \vek{'H} \) manyetik alan yoğunluğudur; \( \vek{J} \) akım yoğunluğu; \( t \) zamanı geldi.

Kutup-kulenin elektromanyetik geçici analizinde, direk-kule yapısı genellikle iletken olarak kabul edilir, ve çevreleyen ortam havadır. İletken ve havanın kurucu ilişkileri aşağıdaki gibidir:

Nerede: \( \varepsilon \) geçirgenlik; \( \içinde \) geçirgenlik; \( \sigma \) iletkenlik.

Yıldırım darbesi tam dalgası direk kulesine enjekte edildiğinde, kule gövdesinde zamanla değişen bir akım üretilecektir, kutup kulesi çevresinde zamanla değişen bir elektromanyetik alanı harekete geçirecek. Zamanla değişen elektromanyetik alan, kutup-kulenin iletkeninde girdap akımlarını indükleyecektir., ve kule gövdesi arasında elektromanyetik bağlantı olacaktır., çapraz kol, yalıtkan dize, ve orkestra şefi. Direk-kulenin elektromanyetik geçici tepkisi, enjekte edilen yıldırım darbesi arasındaki etkileşimin sonucudur., elektromanyetik alan, ve direk-kule yapısı.

Direk-kule yapısı, cıvatalarla birbirine bağlanan çok açılı çeliklerden oluşan karmaşık bir mekansal kafes yapısıdır.. Yıldırım direk kulesine çarptığında, direk kulesinin geçici tepki mekanizması temel olarak aşağıdaki hususları içerir:

(1) Gerilim ve akım dağıtım mekanizması: Çarpma noktasından enjekte edilen yıldırım darbe gerilimi kule gövdesi boyunca dağıtılacaktır.. Kule gövdesinin dağıtılmış kapasitansı ve endüktansı nedeniyle, Gerilim ve akım, yayılma işlemi sırasında ilerleyen bir dalga etkisine sahip olacaktır.. Kule gövdesinin dalga empedansı gerilim ve akım dağılımını etkileyen önemli bir parametredir.. Açılı çelik direk-kulenin dalga empedansı genellikle 100Ω ile 300Ω arasındadır., kule gövdesinin kesit alanıyla ilgilidir, köşebent çelikleri arasındaki boşluk, ve kulenin yüksekliği [17].

(2) Elektromanyetik alan birleştirme mekanizması: Kule gövdesindeki zamanla değişen akım, kutup-kule çevresinde zamanla değişen bir elektromanyetik alan oluşturacaktır.. Elektromanyetik alan, bitişik iletkenlerde ve metal bileşenlerde voltaj ve akımı indükleyecektir., elektromanyetik indüksiyon etkisi olan. Aynı zamanda, elektromanyetik alan aynı zamanda direk-kulenin topraklama cihazı ile de etkileşime girecektir, topraklama akımını ve topraklama voltajını etkileyen [18].

(3) Yalıtım tepki mekanizması: Direk-kule ile iletken arasındaki yalıtkan dizisi önemli bir yalıtım bileşenidir. Yıldırım darbesi aşırı voltajının etkisi altında, yalıtkan dizi yüksek geçici voltaj taşıyacaktır. Geçici voltaj yalıtkan dizinin yalıtım gücünü aşarsa, yalıtım flashoverı meydana gelecektir, iletken ile direk-kule arasında kısa devreye yol açar [19].

(4) Topraklama tepki mekanizması: Direk-kulenin topraklama cihazı, yıldırım akımını toprağa yönlendirmek ve topraklama voltajını azaltmak için kullanılır.. Yıldırım darbesinin etkisi altında, topraklama cihazının topraklama direnci geçici özellikler gösterecektir. Cilt etkisi ve toprağın iyonlaşması nedeniyle, geçici topraklama direnci genellikle kararlı durum topraklama direncinden daha küçüktür, ancak değişim yasası karmaşıktır [20]. Topraklama tepkisi, yıldırım akımının zayıflama oranını ve geçici gerilimin direk-kule üzerindeki dağılımını doğrudan etkiler..

Özetle, Yıldırım darbesi altında direk-kulenin elektromanyetik geçici tepkisi, gerilim ve akım dağılımı gibi çoklu mekanizmaların kapsamlı bir sonucudur., elektromanyetik alan bağlantısı, izolasyon tepkisi, ve topraklama tepkisi. Direk-kulenin elektromanyetik geçici özelliklerini doğru bir şekilde analiz etmek, bu mekanizmaların kapsamlı bir şekilde ele alınması ve makul bir matematiksel model ve simülasyon modelinin oluşturulması gerekmektedir..

Bu yazıda incelenen 500kV açılı çelik direk kulesi tipik bir Çin tipi kuledir., toplam yüksekliği 45m, 8m taban genişliği, ve 12m çapraz kol uzunluğu. Kule gövdesi Q355 köşebent çeliklerinden oluşmaktadır., farklı yüksekliklerde farklı kesit boyutlarına sahip. Çapraz kol ayrıca Q355 köşebent çeliklerinden oluşur, ve yalıtkan ip cam elyaf takviyeli plastikten yapılmıştır. Direk-kulenin karmaşık yapısı nedeniyle, Hesaplama doğruluğunu sağlamak amacıyla hesaplama verimliliğini artırmak için sonlu elemanlar modelleme sürecinde modelin basitleştirilmesi gerekmektedir..

Temel basitleştirme önlemleri aşağıdaki gibidir: (1) Açılı çelikler arasındaki cıvata bağlantılarını dikkate almayın, ve bağlantıların rijit olduğunu varsayalım; (2) İzolatör dizisini aynı eşdeğer çap ve uzunluğa sahip silindirik bir izolatör olarak basitleştirin; (3) Kule ayak plakası ve kablo kelepçesi gibi küçük bileşenleri dikkate almayın, elektromanyetik geçici tepki üzerinde çok az etkisi olan; (4) Topraklama cihazı, 20 m uzunluğunda yatay bir topraklama ızgarası olarak basitleştirilmiştir., 20m genişlik, ve 0,8 m'lik bir gömme derinliği, ve topraklama iletkeni 12 mm çapında yuvarlak bir çeliktir.

Yukarıdaki basitleştirme önlemlerine dayanarak, 500kV direk kulesinin üç boyutlu geometrik modeli ANSYS DesignModeler yazılımı kullanılarak oluşturulmuştur.. Geometrik model kule gövdesini içerir, çapraz kol, yalıtkan dize, kondüktör, ve topraklama cihazı. İletken, 25 mm çapında 500kV AC iletim iletkenidir.. Model Şekilde gösterilmektedir 2.

Direk-kule modelinde yer alan ana malzemeler arasında Q355 çeliği bulunur (kule gövdesi, çapraz kol, topraklama iletkeni), cam elyaf takviyeli plastik (yalıtkan dize), hava (çevreleyen ortam), ve toprak (topraklama ortamı). Malzeme parametreleri Tabloda gösterilmektedir 1.

Malzeme	İletkenlik σ (S/m)	Geçirgenlik ε (K/ay)	Geçirgenlik μ (H/m)	Yoğunluk ρ (kg/m³)
S355 çelik	5.8×10⁶	8.85×10⁻¹²	4π×10⁻⁷	7850
Cam elyaf takviyeli plastik	1×10⁻¹²	3.54×10⁻¹¹	4π×10⁻⁷	1800
Hava	1×10⁻¹⁵	8.85×10⁻¹²	4π×10⁻⁷	1.29
Toprak	0.01	1.77×10⁻¹⁰	4π×10⁻⁷	1800

Toprağın iletkenliğinin toprak tipi gibi faktörlerden etkilendiği unutulmamalıdır., nem içeriği, ve sıcaklık. Çelik kafes direklerin davranışı literatürde araştırılmıştır., toprağın iletkenliği şu şekilde alınır: 0.01 S/m, mühendislikte yaygın olarak kullanılan tınlı toprağın ortalama değeridir [21]. Cam elyaf takviyeli plastiğin geçirgenliği 4 havanın katı, üretici tarafından sağlanan malzeme parametrelerine göre belirlenir.

Mesh üretimi sonlu eleman simülasyonunda önemli bir adımdır, hesaplama doğruluğunu ve hesaplama verimliliğini doğrudan etkileyen. Direk-kule modelinin mesh üretimi ANSYS Meshing yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmektedir.. Direk-kulenin karmaşık yapısı ve kule gövdesi yakınındaki elektromanyetik alan için yüksek hesaplama doğruluğu gereksinimi göz önüne alındığında, aşağıdaki ağ oluşturma stratejileri benimsenmiştir:

(1) Kule gövdesi için tetrahedral ağ kullanın, çapraz kol, yalıtkan dize, kondüktör, ve topraklama cihazı, karmaşık geometrik şekle uyum sağlayabilen; (2) Hava ve toprak bölgeleri için altı yüzlü ağ kullanın, hesaplama doğruluğu ve verimliliği daha yüksek olan; (3) Büyük elektromanyetik alan gradyanına sahip bölgeler için ağ iyileştirmesi gerçekleştirin, yıldırımın çarpma noktası gibi, kule gövdesi ile çapraz kol arasındaki bağlantı, ve topraklama ızgarası; (4) Maksimum ağ boyutunu kontrol edin: kule gövdesi ve çapraz kolun maksimum ağ boyutu 0,5 m'dir, yalıtkan dizisinin ve iletkenin maksimum ağ boyutu 0,2 m'dir, topraklama ızgarasının maksimum ağ boyutu 0,3 m'dir, hava ve toprak bölgelerinin maksimum ağ gözü büyüklüğü 2m'dir.

Mesh oluşturulduktan sonra, modelin toplam ağ elemanları sayısı 1,256,800, ve toplam düğüm sayısı 2,345,600. Ağ kalitesi kontrol edilir, ve ortalama en boy oranı 1.8, sonlu elemanlar hesaplamasının gerekliliklerini karşılayan.

3.4.1 Sınır koşulları

Simülasyon modelinin sınır koşulları aşağıdaki gibi ayarlanmıştır: (1) Hava bölgesi için uzak alan sınırı belirlendi. Uzak alan sınırı yansıtıcı olmayan bir sınırdır, havanın sonsuz uzantısını simüle edebilen ve elektromanyetik dalgaların sınırda yansımasını önleyebilen, Simülasyon sonuçlarını etkileyen; (2) Toprak bölgesi için zemin sınırı belirlendi. Toprak sınırı mükemmel bir iletken sınırı olarak ayarlanmıştır, toprağın sonsuz derinlikte olduğunu varsayarak, ve elektromanyetik dalgalar toprak tarafından tamamen emilir; (3) Simetri sınırı ayarlanmadı, çünkü yıldırım çarpması asimetrik bir yüktür, ve kutup kulesinin elektromanyetik geçici tepkisi de asimetriktir.

3.4.2 Ayarlar Yükleniyor

Yıldırım darbesi tam dalgası, çarpma noktasında bir voltaj kaynağı olarak yüklenir. Bu makalenin araştırma kapsamına göre, üç tipik yıldırım çarpması konumu seçildi: (1) Kulenin tepesi: voltaj kaynağı kule gövdesinin üst düğümüne yüklenir; (2) Çapraz kol: gerilim kaynağı çapraz kolun uç düğümüne yüklenir; (3) Kondüktör: voltaj kaynağı iletkenin orta düğümüne yüklenir.

Yıldırım darbesi tam dalgasının parametreleri IEC'ye göre ayarlanır 60060-1 standart: ön süre 1,2μs, yarı zirve süresi 50μs, ve tepe voltajı 1425kV (500kV iletim hatlarının yıldırım darbe gerilim seviyesi). Gerilim dalga biçimi, ANSYS Maxwell yazılımındaki çift üstel fonksiyon kullanılarak üretilir, ve geçici sürecin doğru bir şekilde yakalanmasını sağlamak için zaman adımı 0,01μs olarak ayarlanmıştır. Simülasyon süresi 200μs olarak ayarlanmıştır, yıldırım darbesinin tam dalgasının yükselişinden bozulmasına kadar olan tüm sürecini kapsar.

ek olarak, topraklama direnci, topraklama ızgarasına bir direnç sınırı eklenerek simüle edilir. Dört farklı topraklama direnci değeri (5Ah, 10Ah, 15Ah, ve 20Ω) topraklama direncinin kutup-kulenin elektromanyetik geçici tepkisi üzerindeki etkisini incelemek üzere ayarlanmıştır.

Simülasyon hesaplaması ANSYS Maxwell yazılımının geçici elektromanyetik alan modülü kullanılarak gerçekleştirilir.. Çözücü, zaman alanı çözücüye ayarlandı, Zamanla değişen özelliklere sahip geçici elektromanyetik alanın simüle edilmesi için uygun olan. Hesaplama yöntemi sonlu elemanlar yöntemidir, çözüm alanını çok sayıda sonlu elemana ayrıştıran, ve elektromanyetik alanın dağılımını elde etmek için her elementteki Maxwell denklemlerini çözer.

Hesaplama işlemi sırasında, aşağıdaki parametreler ayarlandı: (1) Başlangıç ​​koşulu sıfırdır, yani, çözüm alanındaki başlangıçtaki elektrik alan yoğunluğu ve manyetik alan yoğunluğu sıfırdır; (2) Yakınsama kriteri 1×10⁻⁶ olarak ayarlandı, hesaplama doğruluğunu garanti eden; (3) Donanım hızlandırma etkinleştirildi, hesaplamayı hızlandırmak için GPU'yu kullanma, hesaplama verimliliğini artıran.

Simülasyon hesaplamasından sonra, geçici voltaj, geçici akım, ANSYS Maxwell yazılımının son işlem modülü sayesinde direk-kulenin her bir parçasının farklı zamanlarda geçici elektromanyetik alan dağılımı elde edilebilmektedir..

şekil 3 kulenin tepesine yıldırım düştüğünde direk-kulenin farklı bölümlerinin geçici voltaj dalga biçimini gösterir (topraklama direnci 10Ω). Şekilden görülebilmektedir 3 Yıldırım darbesinin tam dalgasının yükselmesiyle kutup kulesinin her bir parçasının geçici voltajının hızla arttığı, yaklaşık 1,2μs'de zirve değerine ulaşır, ve daha sonra dalga kuyruğunun bozulmasıyla birlikte yavaş yavaş bozulur.

Farklı kısımlardaki geçici voltajın tepe değerleri aşağıdaki gibidir: Kulenin tepesi 1425kV (Yüklenen yıldırım darbe geriliminin tepe değerine eşit), kule gövdesinin ortası (22.5m yükseklik) 785kV, kule gövdesinin alt kısmı (0m yükseklik) 125kV, çapraz kolun sonu 650kV'dir, ve yalıtkan dizisi 580kV'dur. Geçici voltaj kulenin tepesinden tabanına doğru kademeli olarak azalır, bunun nedeni kule gövdesinin belirli bir dalga empedansına sahip olmasıdır, ve kule gövdesi boyunca yayılma işlemi sırasında yıldırım darbe voltajı zayıflatılır.

Yalıtkan dizideki geçici voltaj, çapraz kol ile iletken arasındaki voltajdır. Kulenin tepesine yıldırım düştüğünde, çapraz kol yüksek geçici voltajdadır, iletkene doğrudan yıldırım çarpmadığı sürece, yani yalıtkan dizideki geçici voltaj, çapraz kolun geçici voltajı ile iletken arasındaki farktır. Yalıtkan dizisindeki geçici voltajın tepe değeri 580kV'dir, 500kV yalıtkan dizinin yalıtım gücünden daha az olan (1425kV), böylece yalıtım flashoverı meydana gelmez.

şekil 4 kulenin tepesine yıldırım düştüğünde direk-kulenin farklı bölümlerinin geçici akım dalga biçimini gösterir (topraklama direnci 10Ω). Direk-kulenin her bir bölümünün geçici akımı, yıldırım darbesinin tam dalgasının yükselmesiyle birlikte hızla artar., yaklaşık 1,5μs'de zirve değerine ulaşır, ve sonra yavaş yavaş bozuluyor.

Geçici akımın farklı kısımlardaki tepe değerleri aşağıdaki gibidir: kulenin tepesi 14.25kA, kule gövdesinin ortası 12,8kA'dır, kule gövdesinin alt kısmı 11,5kA'dır, ve topraklama ızgarası 11,5kA'dır. Geçici akım kulenin tepesinden tabanına doğru hafifçe azalır, bunun nedeni akımın küçük bir kısmının kule gövdesinin dağıtılmış kapasitansı yoluyla zemine sızdırılmasıdır.. Topraklama ızgarasının geçici akımı, kule gövdesinin altındaki geçici akıma eşittir, bu, kule gövdesinin altındaki tüm akımın topraklama ızgarası yoluyla zemine enjekte edildiğini gösterir..

Geçici akımın dalga biçimi, geçici voltajın dalga biçiminden biraz farklıdır. Geçici akımın tepe zamanı, geçici voltajın tepe noktasından daha geç, bunun nedeni, kule gövdesinin ve topraklama ızgarasının endüktansının akımın voltajın gerisinde kalmasına neden olmasıdır.

şekil 5 t=1.2μs'de kutup-kule etrafındaki geçici elektromanyetik alanın dağılımını gösterir (geçici voltajın tepe süresi) kulenin tepesine yıldırım düştüğünde (topraklama direnci 10Ω). Elektromanyetik alan yoğunluğu kulenin tepesine yakın yerlerde en yüksektir, 5,8×10⁵ V/m tepe değeriyle (elektrik alan şiddeti) ve 1,5×10³ A/m (manyetik alan yoğunluğu).

Kutup-kule etrafındaki geçici elektromanyetik alan, mesafenin artmasıyla birlikte üstel olarak azalır.. Kule gövdesine olan mesafe 5 m olduğunda, elektrik alan yoğunluğu 1,2×10⁵ V/m'dir, ve manyetik alan yoğunluğu 3,2×10² A/m'dir; mesafe 10 m olduğunda, elektrik alan yoğunluğu 2,8×10⁴ V/m'dir, ve manyetik alan yoğunluğu 7,5×10¹ A/m'dir; mesafe 20 m olduğunda, elektrik alan yoğunluğu 6,8×10³ V/m, ve manyetik alan yoğunluğu 1,8×10¹ A/m'dir. Bu dağılım yasası, geçici akım tarafından üretilen yakın alan elektromanyetik dalganın özellikleriyle tutarlıdır..

ek olarak, elektromanyetik alan yoğunluğunun belirgin bir yönlülüğü vardır. Yıldırım çarpması yönündeki elektromanyetik alan şiddeti (dikey yön) yatay yönde olduğundan daha yüksektir, bunun nedeni kule gövdesindeki geçici akımın çoğunlukla dikey olmasıdır, ve dikey akımın oluşturduğu elektromanyetik alan dikey yönde daha güçlüdür.

şekil 6 çapraz kola yıldırım düştüğünde direk kulesinin farklı bölümlerinin geçici voltaj dalga biçimini gösterir (topraklama direnci 10Ω). Kulenin tepesine düşen yıldırımla karşılaştırıldığında, çapraz kolun geçici voltajı en yüksektir, 1425kV tepe değeri ile. Kulenin tepesindeki geçici voltaj 980kV'dur., kule gövdesinin ortası 560kV'dir, kule gövdesinin alt kısmı 105kV'dir, ve yalıtkan dizisi 850kV'dur.

İzolatör dizisindeki geçici voltaj, kulenin tepesine yıldırım düştüğünde oluşan voltajdan önemli ölçüde daha yüksektir. Bunun nedeni çapraz kola yıldırım düştüğünde, çapraz kol doğrudan yıldırım darbesinin tepe voltajındadır, ve iletken çapraz kola yakındır, dolayısıyla çapraz kol ile iletken arasındaki voltaj farkı daha büyüktür. İzolatör dizisindeki geçici voltajın tepe değeri 850kV'dir., bu hala yalıtkan dizinin yalıtım gücünden daha azdır, böylece yalıtım flashoverı meydana gelmez. ancak, yıldırım darbe voltajı daha yüksekse veya yalıtkan dizinin yalıtım performansı azaldıysa, izolasyon flashoverı meydana gelebilir.

şekil 7 çapraz kola yıldırım düştüğünde direk kulesinin farklı bölümlerinin geçici akım dalga biçimini gösterir (topraklama direnci 10Ω). Çapraz koldaki geçici akımın tepe değeri 14,25kA'dır, kulenin tepesi 4.8kA, kule gövdesinin ortası 9,5kA'dır, kule gövdesinin alt kısmı 11.2kA'dır, ve topraklama ızgarası 11,2kA'dır.

Kulenin tepesine düşen yıldırımla karşılaştırıldığında, kulenin tepesindeki geçici akım önemli ölçüde daha küçüktür, kule gövdesinin ortasındaki geçici akım biraz daha küçüktür. Bunun nedeni çapraz kola yıldırım düştüğünde, akım iki kısma ayrılmıştır: bir kısmı kulenin tepesine akıyor, diğer kısmı ise kulenin dibine doğru akıyor. Kulenin tepesinin daha yüksek dalga empedansı nedeniyle, Akımın büyük bir kısmı kulenin tabanına doğru akar ve topraklama ızgarası yoluyla zemine enjekte edilir..

şekil 8 çapraz kola yıldırım düştüğünde t=1,2μs'de kutup kulesi etrafındaki geçici elektromanyetik alanın dağılımını gösterir (topraklama direnci 10Ω). Çapraz kolun yakınındaki elektromanyetik alan yoğunluğu en yüksektir, 6,2×10⁵ V/m tepe değeriyle (elektrik alan şiddeti) ve 1,6×10³ A/m (manyetik alan yoğunluğu), bu, kulenin tepesine yıldırım düştüğünde görülenden daha yüksektir.

Kutup-kule etrafındaki geçici elektromanyetik alan da mesafenin artmasıyla birlikte üstel olarak azalır.. Çapraz koldan mesafe 5 m olduğunda, elektrik alan yoğunluğu 1,3×10⁵ V/m'dir, ve manyetik alan yoğunluğu 3,4×10² A/m'dir; mesafe 10 m olduğunda, elektrik alan yoğunluğu 3,0×10⁴ V/m'dir, ve manyetik alan yoğunluğu 7,8×10¹ A/m'dir. Elektromanyetik alanın yönlülüğü de açıktır, ve çapraz kola dik yöndeki elektromanyetik alan yoğunluğu diğer yönlerdekinden daha yüksektir.

şekil 9 iletkene yıldırım düştüğünde direk kulesinin farklı bölümlerinin geçici voltaj dalga biçimini gösterir (topraklama direnci 10Ω). Yıldırım iletkene çarptığında, iletkenin geçici voltajı 1425kV'dir, izolatör dizisi 1425kV'dir (iletkenin voltajına eşit), çapraz kol 575kV'dir, Kulenin tepesi 480kV, kule gövdesinin ortası 320kV'dir, ve kule gövdesinin alt kısmı 85kV'dir.

İzolatör dizisindeki geçici voltaj, iletkene yıldırım düştüğünde en yüksektir, yıldırım darbe geriliminin tepe değerine eşit olan. Bunun nedeni iletkene doğrudan yıldırım çarpmasıdır., ve yalıtkan ip yıldırım darbesinin tam voltajını taşır. İzolatör dizisindeki geçici voltajın tepe değeri 1425kV'dir., yalıtkan dizinin yalıtım gücüne eşit olan. Şu anda, yalıtkan dizisi, yalıtım flashoverının kritik durumundadır. Yıldırım darbe voltajı biraz daha yüksekse, yalıtım flashoverı meydana gelecektir, iletken ile çapraz kol arasında kısa devreye yol açar.

şekil 10 iletkene yıldırım düştüğünde direk kulesinin farklı bölümlerinin geçici akım dalga biçimini gösterir (topraklama direnci 10Ω). İletkendeki geçici akımın tepe değeri 14,25kA'dır., yalıtkan dizisi 14,25kA'dır, çapraz kol 12,5kA'dır, kulenin tepesi 3.2kA, kule gövdesinin ortası 9,8kA'dır, kule gövdesinin alt kısmı 11.0kA'dır, ve topraklama ızgarası 11.0kA'dır.

Yıldırım iletkene çarptığında, the current is transmitted to the cross arm through the insulator string, then divided into two parts: bir kısmı kulenin tepesine akıyor, diğer kısmı ise kulenin dibine doğru akıyor. The current flowing to the bottom of the tower is injected into the ground through the grounding grid. The transient current at the cross arm is slightly smaller than that at the conductor, which is because a small part of the current is leaked to the air through the distributed capacitance of the cross arm.

şekil 11 shows the distribution of the transient electromagnetic field around the pole-tower at t=1.2μs when lightning strikes the conductor (topraklama direnci 10Ω). The electromagnetic field intensity near the conductor and the insulator string is the highest, with a peak value of 6.5×10⁵ V/m (elektrik alan şiddeti) and 1.7×10³ A/m (manyetik alan yoğunluğu), bu, kulenin tepesine ve çapraz kola yıldırım düştüğünde olduğundan daha yüksektir.

Kutup-kule etrafındaki geçici elektromanyetik alan, mesafenin artmasıyla birlikte üstel olarak azalır.. İletkene olan mesafe 5 m olduğunda, elektrik alan yoğunluğu 1,4×10⁵ V/m, ve manyetik alan yoğunluğu 3,6×10² A/m'dir; mesafe 10 m olduğunda, elektrik alan yoğunluğu 3,2×10⁴ V/m'dir, ve manyetik alan yoğunluğu 8,2×10¹ A/m'dir. İletkene paralel yöndeki elektromanyetik alan diğer yönlerdekinden daha yüksektir.

Topraklama direncinin kutup kulesinin elektromanyetik geçici özellikleri üzerindeki etkisini incelemek, dört farklı topraklama direnci değeri (5Ah, 10Ah, 15Ah, ve 20Ω) seçildi, ve yıldırım çarpması konumu kulenin tepesine sabitlenmiştir. Direk-kulenin farklı kısımlarındaki geçici gerilim ve akımın tepe değerinin topraklama direnci ile değişimi Tablo'da gösterilmektedir. 2.

Topraklama direnci (Ah)	Kulenin Tepesindeki Geçici Tepe Gerilimi (kV)	Kulenin Altındaki Geçici Tepe Gerilimi (kV)	Kulenin Tepesindeki Geçici Akım Tepe Noktası (the)	Topraklama Izgarasında Tepe Geçici Akım (the)
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

Tablodan görülebilir 2 Kulenin tepesindeki geçici voltajın tepe değerinin topraklama direncinden etkilenmemesi, her zaman yüklü yıldırım darbe geriliminin tepe değerine eşit olan. ancak, topraklama direncinin artmasıyla kulenin alt kısmındaki geçici voltajın tepe değeri önemli ölçüde artar. Topraklama direnci 5Ω'dan 20Ω'a yükseldiğinde, kulenin altındaki geçici voltajın tepe değeri 65kV'tan 245kV'a çıkar, bir artış 277%.

Kulenin tepesindeki geçici akımın tepe değeri de topraklama direncinden etkilenmez., topraklama direncinin artmasıyla topraklama ızgarasındaki geçici akımın tepe değeri azalırken. Topraklama direnci 5Ω'dan 20Ω'a yükseldiğinde, topraklama ızgarasındaki geçici akımın tepe değeri 13,8kA'dan 8,5kA'ya düşer, azalma 38.4%. Bunun nedeni, topraklama direncindeki artışın topraklama döngüsünün empedansını arttırmasıdır., toprağa enjekte edilen akımın azaltılması.

Kule tabanındaki geçici voltajın artması ve topraklama ızgarasındaki geçici akımın azalması, direk-kule ve bağlı ekipmanların izolasyon atlaması riskini artıracaktır.. bu nedenle, Topraklama direncinin azaltılması direk-kulenin yıldırımdan korunma performansını artırmak için etkili bir önlemdir.

Yukarıdaki simülasyon analizine dayanarak, Yıldırım darbesi tam dalgası altında 500kV direk kulesinin elektromanyetik geçici özellikleriyle ilgili ana sonuçlar aşağıdaki gibidir:

(1) Yıldırım çarpması konumu, direk-kulenin elektromanyetik geçici tepkisi üzerinde önemli bir etkiye sahiptir.. Yıldırım iletkene çarptığında, yalıtkan dizisindeki geçici voltaj en yüksektir, Yalıtım flashoverının kritik durumunda olan; yıldırım çapraz kola çarptığında, çapraz kolun yakınındaki elektromanyetik alan yoğunluğu en yüksektir; kulenin tepesine yıldırım düştüğünde, Kulenin tepesindeki geçici voltaj ve akım en yüksektir.

(2) Direk-kulenin geçici voltajı, vuruş noktasından kulenin tabanına doğru kademeli olarak azalır., ve geçici akım da biraz azalır. Kutup-kule etrafındaki geçici elektromanyetik alan, mesafenin artmasıyla birlikte üstel olarak azalır., ve belirgin bir yönlendirmeye sahiptir.

(3) Topraklama direncinin kutup-kulenin elektromanyetik geçici tepkisi üzerinde önemli bir etkisi vardır.. Topraklama direncinin artmasıyla, kulenin altındaki geçici voltaj önemli ölçüde artar, ve topraklama ızgarasındaki geçici akım azalır, bu da izolasyon flashover riskini artırır.

(4) İzolatör dizisi, iletkene yıldırım düştüğünde en yüksek geçici voltajı taşır, izolatör dizisi için en tehlikeli çalışma koşulu hangisidir. bu nedenle, direk kulesinin yıldırımdan korunma tasarımında, İletkene yıldırım düştüğünde yalıtkan dizinin korunmasına özel dikkat gösterilmelidir..

Sonlu eleman simülasyon modelinin doğruluğunu doğrulamak için, 500kV direk kulesinin küçültülmüş ölçekli deneysel modeli benzerlik ilkesine dayalı olarak inşa edilmiştir. Benzerlik ilkesi geometrik parametrelerin, malzeme parametreleri, Küçültülmüş ölçekli modelin ve yük parametreleri prototipinkilere benzer [22]. Küçültülmüş ölçekli modelin prototipe ölçek oranı şu şekilde ayarlanmıştır: 1:20, Laboratuvarın büyüklüğüne ve yıldırım darbe üretecinin kapasitesine göre belirlenen.

Küçültülmüş ölçekli modelin geometrik parametreleri aşağıdaki gibidir: kule gövdesinin toplam yüksekliği 2,25m'dir, taban genişliği 0,4 m, çapraz kol uzunluğu 0,6 m'dir. Kule gövdesi ve travers 5mm×5mm×0,5mm kesit boyutunda Q235 köşebent çeliklerinden yapılmıştır. İzolatör dizisi 2 mm çapında ve 50 mm uzunluğunda organik camdan yapılmıştır. İletken 1,25 mm çapında bakır bir teldir. Topraklama cihazı 1 m uzunluğunda yatay bir topraklama ızgarasıdır., 1m genişlik, ve 0,04 m'lik bir gömme derinliği, ve topraklama iletkeni 0,6 mm çapında bakır teldir.

Malzeme parametre eşleşmesi açısından, benzerlik ilkesine göre, bağıl geçirgenlik, Elektromanyetik özelliklerin benzerliğini sağlamak için malzemenin göreceli geçirgenliği ve iletkenliği prototiple tutarlı kalmalıdır.. Küçültülmüş ölçekli modelde kullanılan Q235 çeliği 5,0×10⁶ S/m iletkenliğe sahiptir, bu da prototipteki 5,8×10⁶ S/m Q355 çeliğine yakın, ve fark kabul edilebilir deneysel hata aralığı dahilindedir. Organik camın bağıl geçirgenliği 3.2, hangisi yakın 4.0 Prototipte cam elyaf takviyeli plastikten yapılmış, ve yalıtım performansı simülasyon gereksinimlerini karşılayabilir. Denemede kullanılan toprak iletkenliği tınlı bir topraktır. 0.01 S/m, simülasyon modelinde ayarlananla aynıdır.

Yük parametresi eşleştirmesi için, küçültülmüş ölçekli modele uygulanan yıldırım darbesi tam dalgası, voltaj benzerlik oranını karşılamalıdır. Geometrik ölçek oranına göre 1:20, gerilim ölçek oranı da 1:20. bu nedenle, küçültülmüş ölçekli modele uygulanan yıldırım darbe voltajının tepe değeri 1425kV'dir / 20 = 71.25KV, ve dalga biçimi parametreleri hala 1,2/50μs, standart gerekliliklerle tutarlı olan.

Deney sistemi esas olarak bir yıldırım darbe üretecinden oluşur., küçültülmüş ölçekli bir direk kulesi modeli, bir ölçüm sistemi, ve topraklama sistemi, Şekilde gösterildiği gibi 12. Yıldırım darbe jeneratörü GS-100kV tipindedir, ayarlanabilir tepe voltajıyla standart 1,2 / 50μs yıldırım darbesi tam dalgaları üretebilir 0 100kV'a kadar, deneysel yük gereksinimlerini karşılamak.

Ölçüm sistemi yüksek voltaj bölücü içerir, bir akım sensörü, elektromanyetik alan sensörü, ve bir veri toplama sistemi. Yüksek voltaj bölücü, voltaj bölme oranına sahip kapasitif bir voltaj bölücüdür. 1000:1, direk kulesinin her bir parçasının geçici voltajını ölçmek için kullanılır. Akım sensörü, 0-20kA ölçüm aralığına ve 10Hz-10MHz bant genişliğine sahip bir Rogowski bobinidir., Kule gövdesinin ve topraklama ızgarasının geçici akımını ölçmek için kullanılır. Elektromanyetik alan sensörü, 1V/m-10⁶ V/m ölçüm aralığına sahip geniş bantlı bir elektromanyetik alan probudur. (elektrik alanı) ve 0,1A/m-10³ A/m (manyetik alan), direk-kule etrafındaki geçici elektromanyetik alanı ölçmek için kullanılır. Veri toplama sistemi, 1GS/s örnekleme hızına ve 10M depolama derinliğine sahip bir dijital osiloskop kullanır., Ölçülen sinyalin geçici dalga formunu doğru bir şekilde yakalayabilen.

Deney sisteminin topraklama sistemi, karşılıklı girişimi önlemek için laboratuvar topraklama sisteminden bağımsızdır.. Deneysel topraklama sisteminin topraklama direnci ayarlanabilir, ve 0,25Ω'luk dört direnç değeri, 0.5Ah, 0.75Ah, ve 1Ω benzerlik oranına göre ayarlanır (5Ω ile tutarlı, 10Ah, 15Ah, ve simülasyon modelinde 20Ω). Deney sisteminin topraklama ızgarası, yıldırım akımının toprağa sorunsuz bir şekilde enjekte edilebilmesini sağlamak için küçültülmüş ölçekli modelin topraklama cihazına bağlanmaktadır..

Deney adımları IEC'ye uygun olarak gerçekleştirilir. 60060-1 standart ve güç sistemi yıldırımdan korunma testlerinin ilgili gereklilikleri, ve aşağıdaki aşamalara ayrılır:

(1) Deney öncesi hazırlık: Küçültülmüş ölçekli modelin bütünlüğünü kontrol edin, kule gövdesi arasındaki bağlantıların sağlandığından emin olun, çapraz kol, yalıtkan dize, ve iletken güvenilirdir, ve topraklama cihazının toprakla iyi temas halinde olduğunu doğrulayın. Ölçüm sistemini kalibre edin, yüksek gerilim bölücü dahil, akım sensörü, ve elektromanyetik alan sensörü, Ölçüm verilerinin doğruluğunu sağlamak için. Yıldırım darbe üretecini, 71,25kV tepe voltajıyla standart 1,2/50μs tam dalga üretecek şekilde ayarlayın..

(2) Deneysel yükleme ve veri toplama: Üç yıldırım çarpması pozisyonunda deneyler yapın (kulenin tepesi, çapraz kol, kondüktör) ve sırasıyla dört topraklama direnci değeri. Her çalışma koşulu için, Yıldırım darbesi tam dalgasını çarpma noktasına enjekte etmek için yıldırım darbesi üretecini açın, ve geçici voltajı toplamak için veri toplama sistemini kullanın, geçici akım, ve kutup kulesinin her bir parçasının geçici elektromanyetik alan sinyalleri. Her çalışma koşulu tekrarlanır 5 deneyin rastgele hatasını azaltmak için zamanlar, ve ortalama değeri 5 veri setleri nihai deneysel sonuç olarak alınır.

(3) Deney sonrası bitirme: Deneysel ekipmanı sırayla kapatın, Toplanan deneysel verileri sıralayın, ve bariz hatalarla birlikte geçersiz verileri ortadan kaldırın. Deney alanını temizleyin ve deney ekipmanını iyi durumda tutun.

Kulenin tepesine yıldırım çarpması durumunda çalışma koşulu ve 0,5Ω topraklama direnci dikkate alınarak (simülasyonda 10Ω'a karşılık gelir) örnek olarak, deney sonuçları ve simülasyon sonuçları karşılaştırıldı ve analiz edildi. şekil 13 deney ve simülasyon arasında kule gövdesinin ortasındaki geçici voltaj dalga formunun karşılaştırmasını gösterir. Şekilden deneysel dalga biçiminin ve simülasyon dalga biçiminin aynı değişim eğilimine sahip olduğu görülebilir.: her ikisi de yaklaşık 1,2 μs'de hızla zirve değerine yükselir, ve sonra yavaş yavaş çürüyorum. Deney sonucunda elde edilen geçici voltajın tepe değeri 39,3kV'dir., ve simülasyonla elde edilen tepe değeri 41,2kV'dir.. Göreceli hata 4.6%, hangisi daha az 8%.

şekil 14 deney ve simülasyon arasındaki topraklama ızgarasındaki geçici akım dalga formunun karşılaştırmasını gösterir. Deneysel dalga biçimi ve simülasyon dalga biçimi de iyi bir tutarlılığa sahiptir. Deneysel akımın tepe süresi yaklaşık 1,5μs'dir., ve simülasyon akımının tepe süresi de yaklaşık 1,5μs'dir. Deneysel akımın tepe değeri 0,57kA'dır, ve simülasyon akımının tepe değeri 0,59kA'dır. Göreceli hata 3.4%, kabul edilebilir aralıkta olan.

şekil 15 deney ve simülasyon arasında kule gövdesinden 5 m uzaklıktaki elektrik alan yoğunluğunun karşılaştırmasını gösterir. Deneysel elektrik alan şiddeti zirvesi 6,1×10³ V/m'dir, ve simülasyon elektrik alanı yoğunluğu zirvesi 6,4×10³ V/m'dir. Göreceli hata 4.7%, bu da daha az 8%. Aynı konumdaki manyetik alan yoğunluğu da iyi bir tutarlılığa sahiptir, bağıl hata ile 5.2%.

Masa 3 geçici voltajın tepe değerlerinin karşılaştırmasını gösterir, geçici akım, ve farklı çalışma koşulları altında elektrik alan şiddeti. Tablodan, tüm çalışma koşullarında deneysel sonuçlar ile simülasyon sonuçları arasındaki bağıl hataların daha az olduğu görülmektedir. 8%, Bu, bu makalede oluşturulan sonlu eleman simülasyon modelinin yüksek doğruluk ve güvenilirliğe sahip olduğunu göstermektedir., ve yıldırım darbesi tam dalgası altında 500kV kutup kulesinin elektromanyetik geçici sürecini doğru bir şekilde simüle edebilir.

Çalışma Durumu	Parametre Türü	Deneysel Değer	Simülasyon Değeri	Bağıl Hata (%)
Yıldırım çarpması üst, R=0,5Ω	Kule orta voltajı (kV)	39.3	41.2	4.6
Yıldırım çarpması üst, R=0,5Ω	Topraklama ızgarası akımı (the)	0.57	0.59	3.4
Yıldırım çarpması çapraz kol, R=0,5Ω	Çapraz kol voltajı (kV)	71.3	74.5	4.3
Yıldırım çarpması iletkeni, R=0,5Ω	Yalıtkan dizi voltajı (kV)	71.2	76.8	7.7
Yıldırım çarpması üst, R=1Ω	5m elektrik alanı (×10³ V/m)	3.2	3.4	5.9

Deneysel sonuçlar ile simülasyon sonuçları arasındaki küçük hatanın ana nedenleri şunlardır:: (1) Simülasyon modelinin basitleştirilmesi, cıvata bağlantılarını ve küçük bileşenleri göz ardı etmek gibi, simülasyon modeli ile gerçek yapı arasında küçük farklılıklara yol açar; (2) Deneydeki çevresel faktörler, havanın nemi ve sıcaklığı gibi, elektromanyetik alan dağılımı üzerinde küçük bir etkiye sahiptir; (3) Deney ekipmanının kendisinin ölçüm hatası. ancak, bu hatalar kabul edilebilir mühendislik ve akademik araştırma aralığı dahilindedir, simülasyon modelinin rasyonelliğini ve doğruluğunu tam olarak doğrulayan.

Çelik kafes direklerin davranışı literatürde araştırılmıştır., 500kV iletim hattı direk kulelerinin yıldırım darbesi tam dalgası altında elektromanyetik geçici özellikleri üzerine kapsamlı bir çalışma, teorik analizlerin birleştirilmesiyle gerçekleştirilmiştir., sonlu eleman simülasyonu, ve deneysel doğrulama. Başlıca araştırma sonuçları aşağıdaki gibidir:

(1) Yıldırım darbesi altında 500kV direk kulelerinin elektromanyetik geçici özelliklerinin teorik sistemi inşa edilmiştir. Standart yıldırım darbesi tam dalga (1.2/50μs) çift ​​üstel fonksiyon dağılımını takip eder, ve kutup kulesinin elektromanyetik geçici süreci Maxwell denklemleri tarafından yönetilir. Direk-kulenin geçici tepkisi, gerilim ve akım dağıtımının kapsamlı eyleminin sonucudur, elektromanyetik alan bağlantısı, izolasyon tepkisi, ve temel tepki mekanizmaları.

(2) 500kV açılı çelik direk-kulenin yüksek hassasiyetli üç boyutlu sonlu eleman simülasyon modeli kuruldu. Model, kule gövdesinin geometrik özelliklerini dikkate almaktadır., çapraz kol, yalıtkan dize, ve topraklama cihazı, Malzeme parametrelerini ve sınır koşullarını doğru bir şekilde ayarlar. Simülasyon sonuçları, modelin yıldırım darbesi altında direk-kulenin elektromanyetik geçici sürecini etkili bir şekilde yakalayabildiğini göstermektedir..

(3) Yıldırım çarpması konumu ve topraklama direnci, direk-kulenin elektromanyetik geçici tepkisini etkileyen temel faktörlerdir.. Yıldırım iletkene çarptığında, yalıtkan dizi en yüksek geçici voltajı taşır (1425kV), kritik flashover durumunda olan; yıldırım çapraz kola çarptığında, çapraz kolun yakınındaki elektromanyetik alan yoğunluğu en yüksektir (6.2×10⁵ V/m); kulenin tepesine yıldırım düştüğünde, Kulenin tepesindeki geçici voltaj ve akım en yüksektir. Topraklama direncinin 5Ω'dan 20Ω'a çıkarılmasıyla, Kulenin altındaki geçici voltaj şu şekilde artar: 277%, ve topraklama ızgarasındaki geçici akım azalır 38.4%, bu da izolasyon flashover riskini önemli ölçüde artırır.

(4) Kutup kulesi etrafındaki geçici elektromanyetik alan, belirgin mekansal dağılım özelliklerine sahiptir. Kule gövdesinden uzaklaştıkça üstel olarak azalır, ve önemli bir yönlendiriciliğe sahiptir. Yıldırımın düştüğü yöndeki elektromanyetik alan şiddeti aynı mesafede en yüksektir.

(5) Deneysel doğrulama sonuçları, deneysel sonuçlar ile simülasyon sonuçları arasındaki bağıl hatanın şundan daha az olduğunu göstermektedir: 8%, simülasyon modelinin güvenilirliğini ve doğruluğunu onaylayan. Araştırma sonuçları, 500kV iletim hattı direk kulelerinin yıldırımdan korunma tasarımı için güvenilir bir teorik ve teknik temel sağlar.

Araştırma sonuçlarına dayanarak, 500kV iletim hattı direk-direklerinin yıldırımdan korunma tasarımı için aşağıdaki optimizasyon önerileri ortaya konmuştur:

(1) İletken yıldırım çarpması koşullarında yalıtkan dizilerin korumasını güçlendirin. 500kV iletim hattı direk kulelerinin izolatör dizilerine metal oksit tutucuların takılması tavsiye edilir., özellikle yıldırıma maruz kalan bölgelerde. Tutucu, yalıtkan dizisindeki geçici aşırı gerilimi sınırlayabilir, yalıtım flashoverını önleyin, ve yalıtkan dizisini ve iletkeni koruyun.

(2) Direk-kulenin topraklama direncini azaltın. Topraklama ızgarasının genişletilmesi gibi önlemlerin alınması, yatay ve dikey topraklama elektrotlarının döşenmesi, ve direk kulesinin topraklama direncini 5Ω'un altına düşürmek için topraklama direncini azaltan maddelerin kullanılması. Bu, kulenin altındaki geçici voltajı etkili bir şekilde azaltabilir, toprağa enjekte edilen geçici akımı arttırın, ve direk kulesinin yıldırımdan korunma performansını artırın.

(3) Direk kulesinin yapısını optimize edin. Yüksek elektromanyetik alan yoğunluğuna maruz kalan çapraz kol ve kule üst kısımları için, kule gövdesinin dalga empedansını azaltmak için açılı çeliğin kesit alanını uygun şekilde artırın veya daha iyi iletkenliğe sahip çelik borular kullanın, böylece geçici voltaj ve akım dağılımını azaltır. Aynı zamanda, Yalıtım mesafesini artırmak için çapraz kol ile iletken arasındaki boşluğu makul şekilde tasarlayın.

(4) İletim hatlarının yıldırımdan korunma izlemesinin güçlendirilmesi. Yıldırım çarpması parametrelerini gerçek zamanlı izlemek için önemli 500kV iletim hattı direk kulelerine yıldırım izleme cihazları kurun (yıldırım akımı zirvesi gibi, dalga biçimi, vuruş pozisyonu) ve direk kulesinin geçici tepkisi. Bu, yıldırımdan korunma tasarımının optimizasyonu ve iletim hatlarının bakımı için veri desteği sağlayabilir..

Her ne kadar bu makale, yıldırım darbesi tam dalgası altında 500kV direk kulelerinin elektromanyetik geçici özellikleri üzerine derinlemesine bir araştırma yürütmüş olsa da, gelecekte daha fazla çalışılması gereken bazı yönler var:

(1) Standart dışı yıldırım darbe dalga formları altında elektromanyetik geçici karakteristiklerin araştırılması. Doğal yıldırım dik cepheyi içerir, uzun kuyruklu, ve çok zamanlı yıldırım darbeleri. Gelecekteki araştırmalar, bu standart dışı dalga formları altında kutup kulelerinin elektromanyetik geçici tepkisine odaklanmalıdır., ve direk kulelerinin yıldırımdan korunma performansını kapsamlı bir şekilde değerlendirin.

(2) Karmaşık çevresel faktörlerin etkisi üzerine araştırma. Mevcut araştırma yağmur gibi çevresel faktörlerin etkisini dikkate almıyor, kar, ve rüzgarın kutup kulesinin elektromanyetik geçici özelliklerine etkisi. Gelecekteki araştırmalar karmaşık çevresel faktörleri dikkate alan bir simülasyon modeli oluşturmalıdır, ve bu faktörlerin direk-kulenin geçici tepkisi üzerindeki etkisini analiz edin.

(3) Direk kuleleri ve bitişik ekipmanlar arasındaki elektromanyetik geçici bağlantı üzerine araştırma. 500kV iletim hattı direk kulesi, iletişim kuleleri ve güç dağıtım dolapları gibi ekipmanlara bitişiktir. Yıldırım çarpmaları tarafından oluşturulan elektromanyetik geçici alan, bu bitişik ekipman üzerinde birleştirme etkilerine sahip olabilir.. Gelecekteki araştırmalar, direk kuleleri ve bitişik ekipmanlar arasındaki elektromanyetik girişimi incelemelidir., ve ilgili anti-parazit önlemlerini ortaya koymak.

(4) Direk kuleleri için akıllı yıldırımdan korunma teknolojisinin geliştirilmesi. 500kV iletim hattı direk kuleleri için akıllı bir yıldırımdan korunma sistemi oluşturmak amacıyla yapay zeka ve büyük veri gibi yeni gelişen teknolojileri birleştirin. Sistem yıldırım çarpmasını tahmin edebiliyor, Yıldırımdan korunma önlemlerini gerçek zamanlı olarak ayarlayın, ve güç sisteminin aktif yıldırımdan korunma kapasitesinin iyileştirilmesi.