trừu tượng: Là thành phần cốt lõi của đường dây truyền tải điện áp cao 500kV, Tháp cột có chức năng kép là đỡ dây dẫn và nối đất. Sét đánh là một trong những mối đe dọa chính đối với sự vận hành an toàn và ổn định của đường dây truyền tải, và đáp ứng quá độ điện từ của tháp cột dưới sóng toàn phần xung sét ảnh hưởng trực tiếp đến việc phối hợp cách điện và thiết kế chống sét của toàn bộ hệ thống điện.. Trên trang giấy này, nghiên cứu toàn diện về đặc tính quá độ điện từ của cột đường dây truyền tải 500kV dưới sóng xung sét toàn phần được thực hiện bằng cách kết hợp phân tích lý thuyết, mô phỏng phần tử hữu hạn, và thử nghiệm thực nghiệm. Đầu tiên, cơ sở lý thuyết về quá độ điện từ dưới xung sét được xây dựng, trong đó có đặc điểm của xung sét toàn sóng, định luật phân bố trường điện từ, và cơ chế phản ứng nhất thời của kết cấu tháp cột. Sau đó, mô hình phần tử hữu hạn ba chiều góc 500kV cột thép-tháp được thiết lập bằng phần mềm ANSYS Maxwell, và sóng xung sét đầy đủ (1.2/50μs) được áp dụng để mô phỏng quá trình chuyển tiếp điện từ của tháp cực. Đặc tính phân bố của điện áp quá độ, dòng điện thoáng qua, và trường điện từ nhất thời của tháp cột ở các vị trí sét đánh khác nhau (đỉnh tháp, chéo cánh tay, và nhạc trưởng) và các giá trị điện trở nối đất khác nhau được phân tích. Trong khi đó, mô hình thí nghiệm tháp cột thu nhỏ được xây dựng dựa trên nguyên lý tương tự, và các thử nghiệm toàn sóng xung sét được thực hiện để xác minh tính chính xác của kết quả mô phỏng. Kết quả cho thấy rằng: (1) Vị trí sét đánh có ảnh hưởng đáng kể đến phản ứng quá độ điện từ của cột điện. Điện áp và dòng điện quá độ trên đỉnh tháp lớn nhất khi sét đánh vào đỉnh tháp, và cường độ điện từ gần cánh tay chéo là cao nhất khi sét đánh vào cánh tay chéo. (2) Với việc tăng điện trở nối đất, điện áp quá độ tại mỗi phần của tháp cực tăng lên đáng kể, và tốc độ suy giảm của dòng điện thoáng qua giảm, làm tăng nguy cơ phóng điện cách điện. (3) Trường điện từ nhất thời xung quanh tháp cực giảm theo cấp số nhân khi khoảng cách tăng lên, và cường độ trường điện từ ở cùng một khoảng cách lớn nhất theo hướng sét đánh. (4) Kết quả mô phỏng phù hợp tốt với kết quả thực nghiệm, với sai số nhỏ hơn 8%, xác minh độ tin cậy của mô hình phần tử hữu hạn đã thiết lập. Nghiên cứu này cung cấp cơ sở lý thuyết và hỗ trợ kỹ thuật cho việc tối ưu hóa thiết kế chống sét, phối hợp cách nhiệt, và vận hành an toàn cột đường dây 500kV.

Từ khóa: 500đường dây truyền tải kV; tháp cột; sóng xung sét đầy đủ; thoáng qua điện từ; mô phỏng phần tử hữu hạn; xác minh thử nghiệm

Với sự phát triển nhanh chóng của ngành điện, 500Đường dây tải điện cao thế kV đã trở thành một phần quan trọng của lưới điện quốc gia, đảm nhận nhiệm vụ quan trọng là truyền tải điện đi xa và công suất lớn. Việc vận hành an toàn, ổn định đường dây 500kV có liên quan trực tiếp đến độ tin cậy của toàn hệ thống điện và hoạt động bình thường của sản xuất, đời sống xã hội.. Tuy nhiên, sét đánh là một trong những thiên tai nghiêm trọng đe dọa đến sự vận hành an toàn của đường dây truyền tải. Theo thống kê, sự cố do sét gây ra chiếm nhiều hơn 40% tổng số sự cố của đường dây truyền tải điện cao thế, và ở một số khu vực dễ bị sét đánh, tỷ lệ này thậm chí có thể đạt hơn 60% [1]. Khi sét đánh xảy ra trên đường dây truyền tải hoặc cột điện, một sóng xung sét mạnh sẽ được tạo ra, sẽ gây ra hiện tượng chuyển tiếp điện từ phức tạp trong cấu trúc tháp cực. These transient phenomena will cause overvoltage and overcurrent in the pole-tower and its attached equipment, which may lead to insulation flashover, equipment damage, and even power outages, resulting in huge economic losses and social impacts [2-3].

As the key supporting and grounding component of the transmission line, the pole-tower’s electromagnetic transient response under lightning impulse full wave is the core issue of the lightning protection design of the transmission line. The pole-tower is usually made of angle steel, steel pipe, or concrete, and its structure is complex, involving multiple components such as the tower body, chéo cánh tay, insulator string, and grounding device. When lightning strikes, the electromagnetic transient process of the pole-tower is affected by many factors, such as the lightning strike position, thông số dòng điện sét, Điện trở nối đất, và kết cấu tháp cột [4]. vì thế, Nghiên cứu chuyên sâu đặc tính quá độ điện từ của cột điện 500kV dưới sóng xung sét toàn phần, nắm vững định luật phân bố điện áp quá độ, hiện hành, và trường điện từ, và việc làm rõ ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau đến phản ứng nhất thời có ý nghĩa rất lớn trong việc tối ưu hóa thiết kế chống sét của tháp cột, nâng cao mức độ phối hợp cách điện của hệ thống điện, và đảm bảo vận hành an toàn, ổn định đường dây 500kV.

Trong những năm gần đây, với sự cải tiến liên tục của công nghệ mô phỏng máy tính và công nghệ thử nghiệm thực nghiệm, nghiên cứu về đặc tính quá độ điện từ của thiết bị điện dưới tác dụng của xung sét đã có những tiến bộ vượt bậc. Tuy nhiên, do cấu trúc phức tạp của cột điện 500kV và tính ngẫu nhiên mạnh của sét đánh, vẫn còn nhiều vấn đề cần giải quyết trong nghiên cứu đặc tính quá độ điện từ của cột điện: (1) Các nghiên cứu hiện nay chủ yếu tập trung vào hiệu quả chống sét của toàn bộ đường dây truyền tải, và nghiên cứu về phản ứng quá độ điện từ của bản thân tháp cột chưa đủ chuyên sâu; (2) Ảnh hưởng của các vị trí sét đánh khác nhau và giá trị điện trở nối đất đến đặc tính quá độ điện từ của tháp cột chưa được nghiên cứu một cách có hệ thống; (3) Độ chính xác của mô hình mô phỏng cần được kiểm chứng bằng số liệu thực nghiệm đáng tin cậy hơn. vì thế, cần nghiên cứu toàn diện và chuyên sâu về đặc tính quá độ điện từ của cột đường dây 500kV dưới sóng xung sét toàn phần.

Trước đây, các học giả nước ngoài đã thực hiện nhiều nghiên cứu về khả năng chống sét của đường dây truyền tải và đặc tính quá độ điện từ của cột điện.. Vào những năm 1970, các học giả như Wagner lần đầu tiên đề xuất lý thuyết sóng lan truyền về quá điện áp do sét, đặt nền tảng lý thuyết cho việc nghiên cứu quá độ điện từ của tháp cực [5]. Với sự phát triển của công nghệ máy tính, phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn đã được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu quá độ điện từ của cột điện. Ví dụ, D'Alessandro và cộng sự. đã thiết lập mô hình phần tử hữu hạn hai chiều của tháp cột đường dây bằng phần mềm COMSOL Multiphysical, mô phỏng quá trình quá độ điện từ dưới tác dụng của xung sét, và phân tích quy luật phân bố của điện áp và dòng điện nhất thời [6]. Petrache và cộng sự. nghiên cứu ảnh hưởng của thông số dòng điện sét đến đáp ứng quá độ điện từ của cột điện thông qua mô phỏng và thực nghiệm, và đề xuất phương án tối ưu hóa thiết kế chống sét cho tháp cột [7]. Ngoài ra, các học giả nước ngoài cũng đã thực hiện nhiều nghiên cứu về hiệu quả nối đất của cột cột dưới xung sét, và nghiên cứu ảnh hưởng của điện trở nối đất và cấu trúc lưới nối đất đến phản ứng nhất thời [8-9].

Nghiên cứu trong nước về đặc tính quá độ điện từ của cột đường dây 500kV chịu xung sét phát triển nhanh chóng trong những năm gần đây. Nhiều trường đại học và viện nghiên cứu đã tiến hành nghiên cứu chuyên sâu về lĩnh vực này. Ví dụ, Wang và cộng sự. thiết lập mô hình phần tử hữu hạn ba chiều của cột thép góc 500kV bằng phần mềm ANSYS, mô phỏng quá trình xung sét, và phân tích sự phân bố của trường điện từ nhất thời xung quanh tháp cực [10]. Li và cộng sự. xây dựng mô hình thí nghiệm thu nhỏ tháp cột, đã thực hiện các thử nghiệm toàn sóng xung sét, và nghiên cứu đặc tính đáp ứng điện áp quá độ của tháp cột ở các vị trí sét đánh khác nhau [11]. Zhang và cộng sự.. nghiên cứu ảnh hưởng của điện trở nối đất đến đáp ứng quá độ điện từ của cột điện 500kV thông qua mô phỏng và thực nghiệm, và đề xuất phương pháp giảm điện trở nối đất nhằm nâng cao hiệu quả chống sét [12]. Tuy nhiên, vẫn còn một số thiếu sót trong nghiên cứu trong nước hiện nay: (1) Mô hình mô phỏng chưa đủ chi tiết, và ảnh hưởng của một số kết cấu tinh tế của tháp cột (chẳng hạn như sự kết nối giữa thép góc và chuỗi cách điện) về phản ứng nhất thời không được xem xét; (2) Tính hệ thống của nghiên cứu thực nghiệm chưa mạnh, và việc xác minh mô hình mô phỏng chưa toàn diện; (3) Nghiên cứu về cơ chế ghép quá độ điện từ giữa cột-tháp và dây dẫn chưa đủ chuyên sâu.

Mục tiêu chính của bài viết này là: (1) Xây dựng cơ sở lý thuyết về đặc tính quá độ điện từ của cột đường dây 500kV dưới tác dụng toàn sóng xung sét, trong đó có đặc điểm của xung sét toàn sóng, định luật phân bố trường điện từ, và cơ chế phản ứng nhất thời; (2) Thiết lập mô hình phần tử hữu hạn ba chiều có độ chính xác cao của tháp cột thép góc 500kV, và mô phỏng quá trình chuyển tiếp điện từ dưới sóng toàn phần xung sét; (3) Để phân tích đặc tính phân bố của điện áp quá độ, dòng điện thoáng qua, và trường điện từ nhất thời của tháp cột dưới các yếu tố ảnh hưởng khác nhau (vị trí bị sét đánh, Điện trở nối đất); (4) Xây dựng mô hình thí nghiệm thu nhỏ tháp cột, thực hiện các thử nghiệm toàn sóng xung sét, và kiểm tra tính đúng đắn của mô hình mô phỏng; (5) Đưa ra các đề xuất tối ưu hóa thiết kế chống sét cho cột đường dây 500kV trên cơ sở kết quả nghiên cứu.

Phạm vi nghiên cứu của bài viết này bao gồm: (1) Cột thép góc 500kV thường dùng trong kỹ thuật; (2) Xung sét toàn sóng có thông số 1,2/50μs (giờ cao điểm/giờ cao điểm) phù hợp với tiêu chuẩn IEC; (3) Ba vị trí sét đánh điển hình: đỉnh tháp, chéo cánh tay, và nhạc trưởng; (4) Bốn giá trị điện trở nối đất điển hình: 5Ồ, 10Ồ, 15Ồ, và 20Ω; (5) Đặc tính quá độ điện từ của tháp cực, bao gồm cả điện áp thoáng qua, dòng điện thoáng qua, và phân bố trường điện từ nhất thời.

Bài viết này được chia thành sáu chương. chương 1 là phần giới thiệu, trình bày chi tiết về bối cảnh và ý nghĩa nghiên cứu, tóm tắt tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước, làm rõ mục tiêu và phạm vi nghiên cứu, và giới thiệu cấu trúc của luận văn. chương 2 giới thiệu cơ sở lý thuyết về quá độ điện từ dưới xung sét, trong đó có đặc điểm của xung sét toàn sóng, lý thuyết cơ bản về quá độ điện từ, và cơ chế phản ứng nhất thời của kết cấu tháp cột. chương 3 mô tả việc xây dựng mô hình mô phỏng phần tử hữu hạn của tháp cột 500kV, bao gồm cả việc đơn giản hóa mô hình, thông số vật liệu, điều kiện biên, và tải xung sét toàn sóng. chương 4 phân tích kết quả mô phỏng đặc tính quá độ điện từ của tháp cột dưới các yếu tố ảnh hưởng khác nhau. chương 5 giới thiệu thiết kế và triển khai mô hình thí nghiệm thu nhỏ, và xác minh kết quả mô phỏng thông qua các thử nghiệm thực nghiệm. chương 6 là kết luận và triển vọng, trong đó tóm tắt các kết quả nghiên cứu chính, đề xuất các đề xuất tối ưu hóa thiết kế chống sét cột 500kV, và mong chờ hướng nghiên cứu tiếp theo.

Xung sét là một loại quá điện áp nhất thời với thời gian ngắn và biên độ cao. Sóng toàn phần xung sét thường được xác định bởi hai tham số: trước thời gian (T1) và nửa giờ cao điểm (T2). Theo IEC 60060-1 Tiêu chuẩn, sóng xung sét tiêu chuẩn có thời gian đầu sóng là 1,2μs (dung sai ±30%) và thời gian nửa đỉnh là 50μs (dung sai ±20%), được ghi là 1,2/50μs [13]. Dạng sóng của xung sét toàn sóng tiêu chuẩn được thể hiện trên hình 1.

Biểu thức toán học của sóng toàn phần xung sét tiêu chuẩn có thể được mô tả bằng hàm số mũ kép [14]:

Ở đâu: \( U_m \) là giá trị cực đại của điện áp xung sét; \( \tau_1 \) là hằng số thời gian phía trước, xác định độ dốc của mặt sóng; \( \tau_2 \) là hằng số thời gian đuôi, xác định độ dài của đuôi sóng; \( t \) là thời gian.

Giá trị cực đại của điện áp xung sét do sét tự nhiên tạo ra có thể lên tới hàng trăm kilovolt đến hàng triệu kilovolt, và giá trị cực đại của dòng sét có thể đạt tới hàng chục kiloampe đến hàng trăm kiloamper.. Đối với đường dây 500kV, cấp điện áp xung sét thường là 1425kV, được xác định theo yêu cầu phối hợp cách điện của hệ thống điện [15]. Khi xảy ra sét đánh, toàn bộ sóng xung sét sẽ được truyền vào tháp cột thông qua điểm tấn công, rồi lan dọc theo thân tháp xuống đất, gây ra hiện tượng chuyển tiếp điện từ phức tạp.

Ngoài sóng đầy đủ 1,2/50μs tiêu chuẩn, trong tự nhiên còn có xung sét dốc phía trước và xung sét đuôi dài. Xung sét dốc phía trước có thời gian phía trước ngắn hơn (ít hơn 1μs) và độ dốc mặt sóng cao hơn, có tác động lớn hơn đến khả năng cách nhiệt của tháp cột. Xung sét đuôi dài có thời gian bán đỉnh dài hơn (hơn 50μs), có thể gây hư hỏng tích lũy cho thiết bị. Tuy nhiên, sóng xung sét tiêu chuẩn 1,2/50μs là đại diện nhất, Vì vậy bài báo này tập trung vào đặc tính quá độ điện từ của tháp cực dưới dạng sóng này.

Quá trình quá độ điện từ của cột-tháp dưới xung sét là một bài toán ghép trường điện từ phức tạp, tuân theo phương trình Maxwell [16]. Phương trình Maxwell là phương trình cơ bản mô tả trường điện từ, bao gồm cả định luật Gauss về điện, Định luật Gauss cho từ tính, Định luật cảm ứng điện từ Faraday, và định luật Ampère-Maxwell. Dạng vi phân của phương trình Maxwell như sau:

Ở đâu: \( \vec{D} \) là vectơ dịch chuyển điện; \( \rho_v \) là mật độ điện tích khối; \( \vec{B} \) là cường độ cảm ứng từ; \( \vec{E} \) là cường độ điện trường; \( \vec{H} \) là cường độ từ trường; \( \vec{J} \) là mật độ dòng điện; \( t \) là thời gian.

Trong phân tích quá độ điện từ của tháp cực, Cấu trúc tháp cột thường được coi là dây dẫn, và môi trường xung quanh là không khí. Mối quan hệ cấu thành của dây dẫn và không khí như sau:

Ở đâu: \( \varepsilon \) là độ thấm; \( \TRONG \) là độ thấm; \( \sigma \) là độ dẫn điện.

Khi truyền xung sét toàn sóng vào cột điện, một dòng điện thay đổi theo thời gian sẽ được tạo ra trong thân tháp, sẽ kích thích một trường điện từ thay đổi theo thời gian xung quanh tháp cực. Trường điện từ biến thiên theo thời gian sẽ tạo ra dòng điện xoáy trong dây dẫn của tháp cột, và sẽ có sự ghép điện từ giữa thân tháp, chéo cánh tay, insulator string, và nhạc trưởng. Đáp ứng điện từ quá độ của cột-tháp là kết quả của sự tương tác giữa xung sét được đưa vào, trường điện từ, và kết cấu tháp cột.

Kết cấu cột-tháp là một kết cấu giàn không gian phức tạp gồm nhiều thép góc được nối với nhau bằng bu lông. Khi sét đánh vào cột tháp, cơ chế phản ứng nhất thời của tháp cực chủ yếu bao gồm các khía cạnh sau:

(1) Cơ chế phân phối điện áp và dòng điện: Điện áp xung sét được đưa vào từ điểm sét sẽ được phân bổ dọc theo thân tháp. Do điện dung và độ tự cảm của thân tháp được phân bố, điện áp và dòng điện sẽ có hiệu ứng sóng lan truyền trong quá trình truyền sóng. Trở kháng sóng của thân tháp là thông số quan trọng ảnh hưởng đến sự phân bố điện áp và dòng điện. Trở kháng sóng của cột thép góc thường nằm trong khoảng từ 100Ω đến 300Ω, liên quan đến diện tích mặt cắt ngang của thân tháp, khoảng cách giữa các thép góc, và chiều cao của tháp [17].

(2) Cơ chế ghép trường điện từ: Dòng điện biến thiên theo thời gian trong thân tháp sẽ tạo ra một trường điện từ biến đổi theo thời gian xung quanh thân tháp.. Trường điện từ sẽ tạo ra điện áp và dòng điện trong các dây dẫn liền kề và các bộ phận kim loại, đó là hiệu ứng cảm ứng điện từ. Cùng một lúc, trường điện từ cũng sẽ tương tác với thiết bị nối đất của tháp cột, ảnh hưởng đến dòng điện nối đất và điện áp nối đất [18].

(3) Cơ chế phản ứng cách nhiệt: Dây cách điện giữa tháp cột và dây dẫn là bộ phận cách điện quan trọng. Dưới tác động của quá điện áp xung sét, dây cách điện sẽ chịu điện áp quá độ cao. Nếu điện áp quá độ vượt quá cường độ cách điện của dây cách điện, sự phóng điện cách điện sẽ xảy ra, dẫn đến đoản mạch giữa dây dẫn và tháp cột [19].

(4) Cơ chế phản ứng nối đất: Thiết bị nối đất của tháp cột có tác dụng dẫn dòng sét xuống đất và giảm điện áp nối đất. Dưới tác dụng của xung sét, điện trở nối đất của thiết bị nối đất sẽ thể hiện đặc tính nhất thời. Do hiệu ứng da và sự ion hóa của đất, điện trở nối đất nhất thời thường nhỏ hơn điện trở nối đất ở trạng thái ổn định, nhưng luật thay đổi rất phức tạp [20]. Phản ứng nối đất ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ suy giảm dòng điện sét và sự phân bố điện áp quá độ trên cột điện.

Tóm tắt, Phản ứng tức thời điện từ của cột-tháp dưới xung sét là kết quả toàn diện của nhiều cơ chế như phân bố điện áp và dòng điện, ghép nối trường điện từ, phản ứng cách nhiệt, và phản ứng nối đất. Để phân tích chính xác các đặc tính quá độ điện từ của tháp cực, cần xem xét toàn diện các cơ chế này và thiết lập mô hình toán học, mô phỏng mô phỏng hợp lý..

Tháp cột thép góc 500kV được nghiên cứu trong bài báo này là loại cột tháp điển hình, với tổng chiều cao 45m, chiều rộng đáy 8m, và chiều dài cánh tay chéo là 12m. Thân tháp được cấu tạo từ thép góc Q355, với kích thước mặt cắt ngang khác nhau ở các độ cao khác nhau. Tay đòn cũng được làm bằng thép góc Q355, và dây cách điện được làm bằng nhựa gia cố sợi thủy tinh. Do cấu trúc phức tạp của tháp cực, Cần đơn giản hóa mô hình trong quá trình mô hình hóa phần tử hữu hạn để nâng cao hiệu quả tính toán trên cơ sở đảm bảo độ chính xác của phép tính.

Các biện pháp đơn giản hóa chính như sau: (1) Bỏ qua liên kết bu lông giữa các thép góc, và giả sử rằng các kết nối là cứng nhắc; (2) Rút gọn dây cách điện thành một vật cách điện hình trụ có cùng đường kính và chiều dài tương đương; (3) Bỏ qua các bộ phận nhỏ như tấm chân tháp và kẹp cáp, có ít tác động đến đáp ứng quá độ điện từ; (4) Thiết bị nối đất được đơn giản hóa dưới dạng lưới nối đất nằm ngang có chiều dài 20m, chiều rộng 20m, và độ sâu chôn lấp là 0,8m, và dây dẫn nối đất là thép tròn có đường kính 12 mm.

Dựa vào các biện pháp đơn giản hóa trên, mô hình hình học ba chiều của cột điện 500kV được thiết lập bằng phần mềm ANSYS DesignModeler. Mô hình hình học bao gồm thân tháp, chéo cánh tay, insulator string, Nhạc trưởng, and grounding device. Dây dẫn là dây dẫn điện xoay chiều 500kV có đường kính 25mm. Mô hình được thể hiện trong hình 2.

Vật liệu chính tham gia vào mô hình tháp cột bao gồm thép Q355 (thân tháp, chéo cánh tay, dây dẫn nối đất), nhựa gia cố sợi thủy tinh (insulator string), không khí (môi trường xung quanh), và đất (phương tiện nối đất). Các thông số vật liệu được thể hiện trong Bảng 1.

Vật chất	Độ dẫn điện σ (S/m)	Độ thấm ε (F/m)	Độ thấm μ (H/phút)	Mật độ ρ (kg/m³)
Thép Q355	5.8×10⁶	8.85×10⁻¹²	4π×10⁻⁷	7850
Nhựa gia cường sợi thủy tinh	1×10⁻¹²	3.54×10⁻¹¹	4π×10⁻⁷	1800
Không khí	1×10⁻¹⁵	8.85×10⁻¹²	4π×10⁻⁷	1.29
Đất	0.01	1.77×10⁻¹⁰	4π×10⁻⁷	1800

Cần lưu ý rằng độ dẫn điện của đất bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như loại đất, độ ẩm, và nhiệt độ. Trên trang giấy này, độ dẫn điện của đất được coi là 0.01 S/m, là giá trị trung bình của đất mùn thường được sử dụng trong kỹ thuật [21]. Độ thấm của nhựa gia cố bằng sợi thủy tinh là 4 lần không khí, được xác định theo các thông số vật liệu do nhà sản xuất cung cấp.

Tạo lưới là một bước quan trọng trong mô phỏng phần tử hữu hạn, ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác và hiệu quả tính toán. Việc tạo lưới của mô hình cột-tháp được thực hiện bằng phần mềm ANSYS Meshing. Xét đến cấu trúc phức tạp của tháp cột và yêu cầu cao về độ chính xác tính toán đối với trường điện từ gần thân tháp, các chiến lược tạo lưới sau đây được áp dụng:

(1) Sử dụng lưới tứ diện cho thân tháp, chéo cánh tay, insulator string, Nhạc trưởng, and grounding device, có thể thích ứng với hình dạng hình học phức tạp; (2) Sử dụng lưới lục giác cho vùng không khí và đất, có độ chính xác và hiệu quả tính toán cao hơn; (3) Tiến hành sàng lọc lưới cho các vùng có gradient trường điện từ lớn, chẳng hạn như điểm tấn công của sét, sự kết nối giữa thân tháp và cánh tay chéo, và lưới nối đất; (4) Kiểm soát kích thước mắt lưới tối đa: kích thước mắt lưới tối đa của thân tháp và tay đòn là 0,5m, kích thước mắt lưới tối đa của dây cách điện và dây dẫn là 0,2m, kích thước mắt lưới tối đa của lưới nối đất là 0,3m, và kích thước mắt lưới tối đa của vùng không khí và đất là 2m.

Sau khi tạo lưới, tổng số phần tử lưới của mô hình là 1,256,800, và tổng số nút là 2,345,600. Chất lượng lưới được kiểm tra, và tỷ lệ khung hình trung bình là 1.8, đáp ứng yêu cầu tính toán phần tử hữu hạn.

3.4.1 Điều kiện biên

Các điều kiện biên của mô hình mô phỏng được thiết lập như sau: (1) Ranh giới trường xa được thiết lập cho vùng không khí. Ranh giới trường xa là ranh giới không phản chiếu, có thể mô phỏng sự mở rộng vô hạn của không khí và tránh sự phản xạ của sóng điện từ ở ranh giới, ảnh hưởng đến kết quả mô phỏng; (2) Ranh giới mặt đất được xác định cho vùng đất. Ranh giới mặt đất được thiết lập là ranh giới dây dẫn hoàn hảo, giả sử rằng đất sâu vô hạn, và sóng điện từ được đất hấp thụ hoàn toàn; (3) Ranh giới đối xứng không được thiết lập, vì sét đánh là tải không đối xứng, và phản ứng tức thời điện từ của tháp cực cũng không đối xứng.

3.4.2 Đang tải cài đặt

Toàn sóng xung sét được tải dưới dạng nguồn điện áp tại điểm sét. Theo phạm vi nghiên cứu của luận văn này, ba vị trí sét đánh điển hình được chọn: (1) Đỉnh tháp: nguồn điện áp được nạp ở nút trên cùng của thân tháp; (2) Bắt chéo tay: nguồn điện áp được tải ở nút cuối của cánh tay chéo; (3) Nhạc trưởng: nguồn điện áp được nạp vào nút giữa của dây dẫn.

Các thông số xung sét toàn sóng được thiết lập theo tiêu chuẩn IEC 60060-1 Tiêu chuẩn: thời gian phía trước 1,2μs, thời gian nửa đỉnh 50μs, và điện áp đỉnh 1425kV (cấp điện áp xung sét đường dây 500kV). Dạng sóng điện áp được tạo bằng hàm số mũ kép trong phần mềm ANSYS Maxwell, và bước thời gian được đặt thành 0,01μs để đảm bảo rằng quá trình nhất thời được ghi lại chính xác. Thời gian mô phỏng được đặt thành 200μs, bao trùm toàn bộ quá trình sóng xung sét toàn phần từ khi phát sinh đến khi suy giảm.

Ngoài ra, Điện trở nối đất được mô phỏng bằng cách thêm một ranh giới điện trở vào lưới nối đất. Bốn giá trị điện trở nối đất khác nhau (5Ồ, 10Ồ, 15Ồ, và 20Ω) được thiết lập để nghiên cứu ảnh hưởng của điện trở nối đất đến phản ứng điện từ quá độ của tháp cột.

Việc tính toán mô phỏng được thực hiện bằng mô-đun trường điện từ nhất thời của phần mềm ANSYS Maxwell. Bộ giải được đặt thành bộ giải miền thời gian, phù hợp để mô phỏng trường điện từ nhất thời với các đặc tính thay đổi theo thời gian. Phương pháp tính toán là phương pháp phần tử hữu hạn, rời rạc hóa miền giải pháp thành một số lượng lớn các phần tử hữu hạn, và giải các phương trình Maxwell trong từng phần tử để thu được sự phân bố của trường điện từ.

Trong quá trình tính toán, các thông số sau được thiết lập: (1) Điều kiện ban đầu bằng 0, đó là, cường độ điện trường ban đầu và cường độ từ trường trong miền nghiệm bằng 0; (2) Tiêu chí hội tụ được đặt thành 1×10⁻⁶, đảm bảo tính chính xác của phép tính; (3) Tăng tốc phần cứng được kích hoạt, sử dụng GPU để tăng tốc tính toán, giúp cải thiện hiệu quả tính toán.

Sau khi tính toán mô phỏng, điện áp quá độ, dòng điện thoáng qua, và có thể thu được sự phân bố trường điện từ nhất thời của từng bộ phận của tháp cột tại các thời điểm khác nhau thông qua mô-đun xử lý hậu kỳ của phần mềm ANSYS Maxwell.

Do hạn chế về không gian 3 hiển thị dạng sóng điện áp nhất thời của các phần khác nhau của tháp cột khi sét đánh vào đỉnh tháp (điện trở nối đất là 10Ω). Nó có thể được nhìn thấy từ hình 3 rằng điện áp quá độ của từng bộ phận của tháp cột tăng nhanh khi sóng toàn sóng xung sét tăng lên., đạt giá trị cực đại ở khoảng 1,2μs, và sau đó phân rã dần theo sự phân rã của đuôi sóng.

Giá trị đỉnh của điện áp quá độ tại các phần khác nhau như sau: đỉnh tháp là 1425kV (bằng giá trị đỉnh của điện áp xung sét mang tải), giữa thân tháp (22.5M Chiều cao) là 785kV, phần dưới của thân tháp (0M Chiều cao) là 125kV, cuối cánh tay chéo là 650kV, và dây cách điện là 580kV. Điện áp quá độ giảm dần từ đỉnh tháp xuống đáy tháp, đó là do thân tháp có trở kháng sóng nhất định, và điện áp xung sét bị suy giảm trong quá trình truyền dọc thân tháp.

Điện áp quá độ trên dây cách điện là điện áp giữa nhánh chéo và dây dẫn. Khi sét đánh vào đỉnh tháp, cánh tay chéo ở điện áp quá độ cao, trong khi dây dẫn không bị sét đánh trực tiếp, nên điện áp quá độ trên dây cách điện là hiệu giữa điện áp quá độ của nhánh chéo và dây dẫn. Giá trị cực đại của điện áp quá độ trên dây cách điện là 580kV, nhỏ hơn cường độ cách điện của dây cách điện 500kV (1425kV), nên không xảy ra hiện tượng phóng điện cách điện.

Do hạn chế về không gian 4 hiển thị dạng sóng dòng điện nhất thời của các phần khác nhau của tháp cột khi sét đánh vào đỉnh tháp (điện trở nối đất là 10Ω). Dòng điện quá độ từng bộ phận của tháp cột cũng tăng nhanh theo sự tăng lên của xung sét toàn sóng., đạt giá trị cực đại ở khoảng 1,5μs, rồi phân hủy dần dần.

Giá trị đỉnh của dòng điện quá độ ở các phần khác nhau như sau: đỉnh tháp là 14,25kA, giữa thân tháp là 12,8kA, đáy thân tháp là 11,5kA, và lưới nối đất là 11,5kA. Dòng điện thoáng qua giảm nhẹ từ đỉnh tháp xuống đáy tháp, đó là do một phần nhỏ dòng điện bị rò rỉ xuống đất thông qua điện dung phân bố của thân tháp. Dòng điện quá độ của lưới nối đất bằng dòng điện quá độ ở đáy thân tháp, điều này cho thấy toàn bộ dòng điện ở đáy thân tháp được đưa vào đất thông qua lưới nối đất.

Dạng sóng của dòng điện nhất thời hơi khác so với dạng sóng của điện áp nhất thời. Thời gian cực đại của dòng điện quá độ muộn hơn thời gian cực đại của điện áp quá độ, đó là do độ tự cảm của thân tháp và lưới nối đất làm cho dòng điện tụt hậu so với điện áp.

Do hạn chế về không gian 5 cho thấy sự phân bố của trường điện từ nhất thời xung quanh tháp cực ở t=1,2μs (thời gian đỉnh của điện áp quá độ) khi sét đánh vào đỉnh tháp (điện trở nối đất là 10Ω). Cường độ trường điện từ cao nhất ở gần đỉnh tháp, với giá trị cực đại là 5,8×10⁵ V/m (cường độ điện trường) và 1,5×10³ A/m (cường độ từ trường).

Trường điện từ nhất thời xung quanh tháp cực giảm theo cấp số nhân khi khoảng cách tăng lên. Khi khoảng cách từ thân tháp là 5m, cường độ điện trường là 1,2×10⁵ V/m, và cường độ từ trường là 3,2×102 A/m; khi khoảng cách là 10m, cường độ điện trường là 2,8×10⁴ V/m, và cường độ từ trường là 7,5×10¹ A/m; khi khoảng cách là 20m, cường độ điện trường là 6,8×10³ V/m, và cường độ từ trường là 1,8×10¹ A/m. Định luật phân bố này phù hợp với đặc tính của sóng điện từ trường gần do dòng điện quá độ sinh ra.

Ngoài ra, cường độ trường điện từ có tính định hướng rõ ràng. Cường độ trường điện từ theo hướng sét đánh (hướng dọc) cao hơn theo hướng ngang, đó là do dòng điện nhất thời trong thân tháp chủ yếu theo phương thẳng đứng, và trường điện từ do dòng điện thẳng đứng tạo ra mạnh hơn theo hướng thẳng đứng.

Do hạn chế về không gian 6 hiển thị dạng sóng điện áp thoáng qua của các phần khác nhau của tháp cột khi sét đánh vào cánh tay ngang (điện trở nối đất là 10Ω). So với vụ sét đánh trên đỉnh tháp, điện áp quá độ của cánh tay chéo là cao nhất, có giá trị cực đại là 1425kV. Điện áp quá độ trên đỉnh tháp là 980kV, giữa thân tháp là 560kV, đáy thân tháp là 105kV, và dây cách điện là 850kV.

Điện áp quá độ trên dây cách điện cao hơn đáng kể so với khi sét đánh vào đỉnh tháp. Sở dĩ như vậy là vì khi sét đánh vào cánh tay chéo, nhánh chéo trực tiếp ở điện áp cực đại của xung sét, và dây dẫn sát với cánh tay chéo, nên chênh lệch điện áp giữa nhánh chéo và dây dẫn lớn hơn. Giá trị cực đại của điện áp quá độ trên dây cách điện là 850kV, vẫn nhỏ hơn cường độ cách điện của dây cách điện, nên không xảy ra hiện tượng phóng điện cách điện. Tuy nhiên, nếu điện áp xung sét cao hơn hoặc hiệu suất cách điện của dây cách điện bị giảm, sự phóng điện cách điện có thể xảy ra.

Do hạn chế về không gian 7 hiển thị dạng sóng dòng điện thoáng qua của các phần khác nhau của tháp cột khi sét đánh vào cánh tay ngang (điện trở nối đất là 10Ω). Giá trị cực đại của dòng điện quá độ ở nhánh chéo là 14,25kA, đỉnh tháp là 4,8kA, giữa thân tháp là 9,5kA, đáy thân tháp là 11,2kA, và lưới nối đất là 11,2kA.

So với vụ sét đánh trên đỉnh tháp, dòng điện thoáng qua trên đỉnh tháp nhỏ hơn đáng kể, trong khi dòng điện thoáng qua ở giữa thân tháp nhỏ hơn một chút. Sở dĩ như vậy là vì khi sét đánh vào cánh tay chéo, dòng điện được chia thành hai phần: một phần chảy lên đỉnh tháp, và phần còn lại chảy xuống đáy tháp. Do trở kháng sóng cao hơn của đỉnh tháp, phần lớn dòng điện chạy xuống đáy tháp và được đưa vào lòng đất thông qua lưới nối đất.

Do hạn chế về không gian 8 cho thấy sự phân bố của trường điện từ nhất thời xung quanh tháp cột ở thời điểm t=1,2μs khi sét đánh vào cánh tay đòn (điện trở nối đất là 10Ω). Cường độ trường điện từ gần cánh tay chéo là cao nhất, với giá trị cực đại là 6,2×10⁵ V/m (cường độ điện trường) và 1,6×10³ A/m (cường độ từ trường), cao hơn khi sét đánh vào đỉnh tháp.

Trường điện từ nhất thời xung quanh cột điện cũng suy giảm theo cấp số nhân khi khoảng cách tăng lên. Khi khoảng cách từ tay đòn là 5m, cường độ điện trường là 1,3×10⁵ V/m, và cường độ từ trường là 3,4×102 A/m; khi khoảng cách là 10m, cường độ điện trường là 3,0×10⁴ V/m, và cường độ từ trường là 7,8×10¹ A/m. Tính định hướng của trường điện từ cũng rõ ràng, và cường độ trường điện từ theo hướng vuông góc với cánh tay chéo cao hơn so với các hướng khác.

Do hạn chế về không gian 9 hiển thị dạng sóng điện áp nhất thời của các phần khác nhau của tháp cột khi sét đánh vào dây dẫn (điện trở nối đất là 10Ω). Khi sét đánh vào dây dẫn, điện áp quá độ của dây dẫn là 1425kV, dây cách điện là 1425kV (bằng điện áp dây dẫn), nhánh chéo là 575kV, đỉnh tháp là 480kV, giữa thân tháp là 320kV, và đáy thân tháp là 85kV.

Điện áp quá độ trên dây cách điện cao nhất khi sét đánh vào dây dẫn, bằng giá trị cực đại của điện áp xung sét. Nguyên nhân là do dây dẫn bị sét đánh trực tiếp, và dây cách điện chịu toàn bộ điện áp của xung sét. Giá trị cực đại của điện áp quá độ trên dây cách điện là 1425kV, bằng độ bền cách điện của dây cách điện. vào lúc này, dây cách điện đang ở trạng thái quan trọng của hiện tượng phóng điện cách điện. Nếu điện áp xung sét cao hơn một chút, sự phóng điện cách điện sẽ xảy ra, dẫn đến đoản mạch giữa dây dẫn và tay đòn.

Do hạn chế về không gian 10 hiển thị dạng sóng dòng điện thoáng qua của các phần khác nhau của tháp cột khi sét đánh vào dây dẫn (điện trở nối đất là 10Ω). Giá trị cực đại của dòng điện quá độ tại dây dẫn là 14,25kA, dây cách điện là 14,25kA, cánh tay chéo là 12,5kA, đỉnh tháp là 3,2kA, giữa thân tháp là 9,8kA, đáy thân tháp là 11,0kA, và lưới nối đất là 11,0kA.

Khi sét đánh vào dây dẫn, dòng điện được truyền tới cánh tay đòn thông qua dây cách điện, sau đó chia thành hai phần: một phần chảy lên đỉnh tháp, và phần còn lại chảy xuống đáy tháp. Dòng điện chạy xuống đáy tháp được đưa vào đất qua lưới nối đất. Dòng điện quá độ ở nhánh chéo nhỏ hơn một chút so với dòng điện ở dây dẫn, đó là do một phần nhỏ dòng điện bị rò rỉ ra không khí thông qua điện dung phân bố của nhánh chéo.

Do hạn chế về không gian 11 cho thấy sự phân bố của trường điện từ nhất thời xung quanh tháp cột ở thời điểm t=1,2μs khi sét đánh vào dây dẫn (điện trở nối đất là 10Ω). Cường độ điện trường gần dây dẫn và dây cách điện là cao nhất, với giá trị cực đại là 6,5×10⁵ V/m (cường độ điện trường) và 1,7×10³ A/m (cường độ từ trường), cao hơn khi sét đánh vào đỉnh tháp và cánh tay ngang.

Trường điện từ nhất thời xung quanh tháp cực giảm theo cấp số nhân khi khoảng cách tăng lên. Khi khoảng cách từ dây dẫn là 5m, cường độ điện trường là 1,4×10⁵ V/m, và cường độ từ trường là 3,6×102 A/m; khi khoảng cách là 10m, cường độ điện trường là 3,2×10⁴ V/m, và cường độ từ trường là 8,2×10¹ A/m. Trường điện từ theo hướng song song với dây dẫn cao hơn so với các hướng khác.

Nghiên cứu ảnh hưởng của điện trở nối đất đến đặc tính quá độ điện từ của tháp cột, bốn giá trị điện trở nối đất khác nhau (5Ồ, 10Ồ, 15Ồ, và 20Ω) được chọn, và vị trí sét đánh được cố định trên đỉnh tháp. Sự biến thiên giá trị đỉnh của điện áp và dòng điện quá độ tại các phần khác nhau của tháp cột có điện trở nối đất được thể hiện trong Bảng 2.

Điện trở nối đất (Ồ)	Điện áp quá độ đỉnh trên đỉnh tháp (kV)	Điện áp quá độ đỉnh ở đáy tháp (kV)	Dòng điện cực đại tại đỉnh tháp (cái)	Dòng điện cực đại tại lưới nối đất (cái)
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

Có thể thấy từ Bảng 2 giá trị cực đại của điện áp quá độ trên đỉnh tháp không bị ảnh hưởng bởi điện trở nối đất, luôn bằng giá trị đỉnh của điện áp xung sét mang tải. Tuy nhiên, giá trị cực đại của điện áp quá độ ở đáy tháp tăng đáng kể khi tăng điện trở nối đất. Khi điện trở nối đất tăng từ 5Ω lên 20Ω, giá trị cực đại của điện áp quá độ ở chân tháp tăng từ 65kV lên 245kV, tăng 277%.

Giá trị cực đại của dòng điện quá độ trên đỉnh tháp cũng không bị ảnh hưởng bởi điện trở nối đất, trong khi giá trị cực đại của dòng điện quá độ ở lưới nối đất giảm khi điện trở nối đất tăng. Khi điện trở nối đất tăng từ 5Ω lên 20Ω, giá trị cực đại của dòng điện quá độ tại lưới nối đất giảm từ 13,8kA xuống 8,5kA, sự giảm của 38.4%. Điều này là do việc tăng điện trở nối đất làm tăng trở kháng của vòng nối đất, giảm dòng điện chạy vào đất.

Việc tăng điện áp quá độ ở chân tháp và giảm dòng điện quá độ ở lưới nối đất sẽ làm tăng nguy cơ phóng điện cách điện của cột-tháp và các thiết bị kèm theo. vì thế, Giảm điện trở nối đất là biện pháp hữu hiệu để nâng cao hiệu quả chống sét của tháp cột.

Dựa trên phân tích mô phỏng ở trên, Các kết luận chính về đặc tính quá độ điện từ của tháp cột 500kV dưới sóng xung sét toàn phần như sau::

(1) Vị trí sét đánh có ảnh hưởng đáng kể đến phản ứng quá độ điện từ của cột điện. Khi sét đánh vào dây dẫn, điện áp quá độ trên dây cách điện là cao nhất, đang ở trạng thái quan trọng của hiện tượng phóng điện cách điện; khi sét đánh vào cánh tay chéo, cường độ trường điện từ gần cánh tay chéo là cao nhất; khi sét đánh vào đỉnh tháp, điện áp và dòng điện tức thời trên đỉnh tháp là cao nhất.

(2) Điện áp quá độ của tháp cực giảm dần từ điểm sét đến đáy tháp, và dòng điện thoáng qua cũng giảm nhẹ. Trường điện từ nhất thời xung quanh tháp cực giảm theo cấp số nhân khi khoảng cách tăng lên, và có tính định hướng rõ ràng.

(3) Điện trở nối đất có tác động đáng kể đến đáp ứng quá độ điện từ của tháp cột. Khi tăng điện trở nối đất, điện áp quá độ ở đáy tháp tăng lên đáng kể, và dòng điện quá độ ở lưới nối đất giảm, làm tăng nguy cơ phóng điện cách điện.

(4) Dây cách điện chịu điện áp quá độ cao nhất khi sét đánh vào dây dẫn, đó là điều kiện làm việc nguy hiểm nhất đối với dây cách điện. vì thế, trong thiết kế chống sét cột-tháp, cần đặc biệt chú ý bảo vệ dây cách điện khi sét đánh vào dây dẫn.

Để kiểm chứng tính đúng đắn của mô hình mô phỏng phần tử hữu hạn, mô hình thí nghiệm thu nhỏ cột điện 500kV được xây dựng dựa trên nguyên lý tương tự. Nguyên lý tương tự đòi hỏi các tham số hình học, thông số vật liệu, và các thông số tải của mô hình thu nhỏ tương tự như của nguyên mẫu [22]. Tỷ lệ tỷ lệ của mô hình thu nhỏ so với nguyên mẫu được đặt thành 1:20, được xác định theo quy mô của phòng thí nghiệm và công suất của máy phát xung sét.

Các thông số hình học của mô hình thu nhỏ như sau: Tổng chiều cao thân tháp là 2,25m, chiều rộng cơ sở là 0,4m, chiều dài cánh tay chéo là 0,6m. Thân tháp và tay đòn được làm bằng thép góc Q235 có kích thước mặt cắt ngang 5mm×5mm×0,5mm. Dây cách điện được làm bằng thủy tinh hữu cơ có đường kính 2mm, dài 50mm. Dây dẫn là dây đồng có đường kính 1,25mm. Thiết bị nối đất là lưới nối đất nằm ngang có chiều dài 1m, chiều rộng 1m, và độ sâu chôn cất 0,04m, và dây dẫn nối đất là dây đồng có đường kính 0,6mm.

Về mặt khớp thông số vật liệu, theo nguyên lý tương tự, độ thấm tương đối, Độ thấm và độ dẫn tương đối của vật liệu phải phù hợp với nguyên mẫu để đảm bảo sự giống nhau về đặc tính điện từ. Thép Q235 được sử dụng trong mô hình thu nhỏ có độ dẫn điện là 5,0×10⁶ S/m, gần bằng 5,8×10⁶ S/m của thép Q355 trong nguyên mẫu, và sự khác biệt nằm trong phạm vi sai số thực nghiệm có thể chấp nhận được. Độ thấm tương đối của thủy tinh hữu cơ là 3.2, gần với 4.0 nhựa gia cố sợi thủy tinh trong nguyên mẫu, và có thể đáp ứng các yêu cầu mô phỏng hiệu suất cách nhiệt. Đất sử dụng trong thí nghiệm là đất thịt có độ dẫn điện là 0.01 S/m, giống như thiết lập trong mô hình mô phỏng.

Để khớp tham số tải, xung sét toàn sóng áp dụng cho mô hình thu nhỏ phải thỏa mãn tỷ số tương tự điện áp. Theo tỷ lệ quy mô hình học của 1:20, tỷ lệ thang đo điện áp cũng là 1:20. vì thế, giá trị đỉnh của điện áp xung sét áp dụng cho mô hình thu nhỏ là 1425kV / 20 = 71,25KV, và các thông số dạng sóng vẫn là 1,2/50μs, phù hợp với yêu cầu tiêu chuẩn.

Hệ thống thí nghiệm chủ yếu bao gồm một máy phát xung sét, mô hình tháp cực thu nhỏ, một hệ thống đo lường, và hệ thống nối đất, như thể hiện trong hình 12. Máy phát xung sét loại GS-100kV, có thể tạo ra sóng xung sét tiêu chuẩn 1,2/50μs với điện áp cực đại có thể điều chỉnh từ 0 đến 100kV, đáp ứng yêu cầu tải thử nghiệm.

Hệ thống đo lường bao gồm bộ chia điện áp cao, một cảm biến hiện tại, cảm biến trường điện từ, và hệ thống thu thập dữ liệu. Bộ chia điện áp cao là bộ chia điện áp kiểu điện dung có tỷ số phân chia điện áp là 1000:1, được sử dụng để đo điện áp quá độ của từng bộ phận của tháp cột. Cảm biến hiện tại là cuộn dây Rogowski có dải đo 0-20kA và băng thông 10Hz-10 MHz, được sử dụng để đo dòng điện quá độ của thân tháp và lưới nối đất. Cảm biến trường điện từ là đầu dò trường điện từ băng thông rộng có dải đo 1V/m-10⁶ V/m (điện trường) và 0,1A/m-10³ A/m (từ trường), được sử dụng để đo trường điện từ nhất thời xung quanh tháp cực. Hệ thống thu thập dữ liệu sử dụng máy hiện sóng số với tốc độ lấy mẫu 1GS/s và độ sâu lưu trữ 10M, có thể nắm bắt chính xác dạng sóng nhất thời của tín hiệu đo được.

Hệ thống nối đất của hệ thống thí nghiệm độc lập với hệ thống nối đất của phòng thí nghiệm để tránh nhiễu lẫn nhau. Điện trở nối đất của hệ thống nối đất thí nghiệm có thể điều chỉnh được, và bốn giá trị điện trở 0,25Ω, 0.5Ồ, 0.75Ồ, và 1Ω được đặt theo tỷ lệ tương tự (phù hợp với 5Ω, 10Ồ, 15Ồ, và 20Ω trong mô hình mô phỏng). Lưới nối đất của hệ thống thí nghiệm được kết nối với thiết bị nối đất của mô hình thu nhỏ để đảm bảo dòng sét có thể được đưa vào lòng đất một cách êm ái.

Các bước thử nghiệm được thực hiện theo tiêu chuẩn IEC 60060-1 tiêu chuẩn và các yêu cầu liên quan của thử nghiệm chống sét hệ thống điện, và được chia thành các giai đoạn sau:

(1) Chuẩn bị trước thí nghiệm: Kiểm tra tính toàn vẹn của mô hình thu nhỏ, đảm bảo rằng các kết nối giữa thân tháp, chéo cánh tay, insulator string, và dây dẫn đáng tin cậy, và xác nhận thiết bị nối đất tiếp xúc tốt với đất. Hiệu chuẩn hệ thống đo lường, bao gồm cả bộ chia điện áp cao, cảm biến hiện tại, và cảm biến trường điện từ, để đảm bảo tính chính xác của dữ liệu đo. Điều chỉnh bộ tạo xung sét để tạo ra sóng toàn phần tiêu chuẩn 1,2/50μs với điện áp đỉnh 71,25kV.

(2) Tải thử nghiệm và thu thập dữ liệu: Tiến hành thí nghiệm dưới ba vị trí bị sét đánh (đỉnh tháp, chéo cánh tay, Nhạc trưởng) và bốn giá trị điện trở nối đất tương ứng. Đối với mỗi điều kiện làm việc, bật máy phát xung sét để truyền toàn bộ sóng xung sét vào điểm sét, và sử dụng hệ thống thu thập dữ liệu để thu thập điện áp quá độ, dòng điện thoáng qua, và tín hiệu trường điện từ nhất thời của từng bộ phận của tháp cột. Mỗi điều kiện làm việc được lặp lại 5 lần để giảm sai số ngẫu nhiên của thí nghiệm, và giá trị trung bình của 5 tập hợp dữ liệu được lấy làm kết quả thử nghiệm cuối cùng.

(3) Hoàn thiện sau thí nghiệm: Tắt lần lượt các thiết bị thí nghiệm, sắp xếp dữ liệu thực nghiệm đã thu thập, và loại bỏ dữ liệu không hợp lệ với các lỗi rõ ràng. Dọn dẹp khu vực thí nghiệm và giữ gìn các thiết bị thí nghiệm trong tình trạng tốt.

Lấy điều kiện làm việc sét đánh trên đỉnh tháp và điện trở nối đất 0,5Ω (tương ứng với 10Ω trong mô phỏng) như một ví dụ, kết quả thực nghiệm và kết quả mô phỏng được so sánh và phân tích. Do hạn chế về không gian 13 cho thấy sự so sánh dạng sóng điện áp nhất thời ở giữa thân tháp giữa thí nghiệm và mô phỏng. Từ hình vẽ có thể thấy dạng sóng thực nghiệm và dạng sóng mô phỏng có xu hướng biến đổi giống nhau: cả hai đều tăng nhanh đến giá trị cực đại ở khoảng 1,2μs, rồi phân hủy dần dần. Giá trị cực đại của điện áp quá độ thu được qua thí nghiệm là 39,3kV, và giá trị đỉnh thu được từ mô phỏng là 41,2kV. Sai số tương đối là 4.6%, đó là ít hơn 8%.

Do hạn chế về không gian 14 thể hiện sự so sánh dạng sóng dòng điện tức thời tại lưới nối đất giữa thí nghiệm và mô phỏng. Dạng sóng thử nghiệm và dạng sóng mô phỏng cũng có tính nhất quán tốt. Thời gian cực đại của dòng điện thử nghiệm là khoảng 1,5μs, và thời gian cực đại của dòng mô phỏng cũng vào khoảng 1,5μs. Giá trị cực đại của dòng điện thực nghiệm là 0,57kA, và giá trị cực đại của dòng mô phỏng là 0,59kA. Sai số tương đối là 3.4%, nằm trong phạm vi chấp nhận được.

Do hạn chế về không gian 15 cho thấy sự so sánh cường độ điện trường cách thân tháp 5m giữa thí nghiệm và mô phỏng. Cường độ điện trường cực đại thực nghiệm là 6,1×10³ V/m, và cường độ điện trường mô phỏng cực đại là 6,4×10³ V/m. Sai số tương đối là 4.7%, cái đó cũng ít hơn 8%. Cường độ từ trường tại cùng một vị trí cũng có tính nhất quán tốt, với sai số tương đối của 5.2%.

Bàn 3 cho thấy sự so sánh các giá trị cực đại của điện áp thoáng qua, dòng điện thoáng qua, và cường độ điện trường ở các điều kiện làm việc khác nhau. Từ bảng có thể thấy rằng sai số tương đối giữa kết quả thực nghiệm và kết quả mô phỏng trong mọi điều kiện làm việc đều nhỏ hơn 8%, Điều đó cho thấy mô hình mô phỏng phần tử hữu hạn được thiết lập trong bài báo có độ chính xác và độ tin cậy cao, và có thể mô phỏng chính xác quá trình chuyển tiếp điện từ của tháp cực 500kV dưới sóng xung sét toàn phần.

Điều kiện làm việc	Loại tham số	Giá trị thử nghiệm	Giá trị mô phỏng	Lỗi tương đối (%)
Đầu sét đánh, R=0,5Ω	Tháp trung thế (kV)	39.3	41.2	4.6
Đầu sét đánh, R=0,5Ω	Dòng điện lưới nối đất (cái)	0.57	0.59	3.4
Sét đánh chéo cánh tay, R=0,5Ω	Điện áp chéo cánh tay (kV)	71.3	74.5	4.3
Dây dẫn sét, R=0,5Ω	Điện áp dây cách điện (kV)	71.2	76.8	7.7
Đầu sét đánh, R=1Ω	5m điện trường (×10³ V/m)	3.2	3.4	5.9

Nguyên nhân chính gây ra sai số nhỏ giữa kết quả thực nghiệm và kết quả mô phỏng là: (1) Đơn giản hóa mô hình mô phỏng, chẳng hạn như bỏ qua các kết nối bu lông và các bộ phận nhỏ, dẫn đến sự khác biệt nhỏ giữa mô hình mô phỏng và cấu trúc thực tế; (2) Các yếu tố môi trường trong thí nghiệm, như độ ẩm không khí và nhiệt độ, có tác động nhỏ đến sự phân bố trường điện từ; (3) Sai số đo của chính thiết bị thí nghiệm. Tuy nhiên, những lỗi này nằm trong phạm vi chấp nhận được của nghiên cứu học thuật và kỹ thuật, xác minh đầy đủ tính hợp lý và đúng đắn của mô hình mô phỏng.

Trên trang giấy này, nghiên cứu toàn diện về đặc tính quá độ điện từ của cột đường dây truyền tải 500kV dưới sóng xung sét toàn phần được thực hiện bằng cách kết hợp phân tích lý thuyết, mô phỏng phần tử hữu hạn, và xác minh thực nghiệm. Các kết luận nghiên cứu chính như sau:

(1) Xây dựng hệ thống lý thuyết đặc tính quá độ điện từ của cột 500kV chịu xung sét. Sóng xung sét tiêu chuẩn (1.2/50μs) tuân theo phân bố hàm số mũ kép, và quá trình chuyển tiếp điện từ của tháp cực bị chi phối bởi các phương trình Maxwell. Phản ứng nhất thời của tháp cột là kết quả của hoạt động toàn diện của phân phối điện áp và dòng điện, ghép nối trường điện từ, phản ứng cách nhiệt, và cơ chế phản ứng nối đất.

(2) Xây dựng mô hình mô phỏng phần tử hữu hạn ba chiều có độ chính xác cao cho tháp cột thép góc 500kV. Mô hình có xét đến đặc điểm hình học của thân tháp, chéo cánh tay, insulator string, and grounding device, và thiết lập chính xác các thông số vật liệu và điều kiện biên. Kết quả mô phỏng cho thấy mô hình có thể nắm bắt hiệu quả quá trình quá độ điện từ của tháp cột dưới xung sét.

(3) Vị trí sét đánh và điện trở nối đất là những yếu tố chính ảnh hưởng đến phản ứng điện từ quá độ của tháp cột. Khi sét đánh vào dây dẫn, dây cách điện mang điện áp quá độ cao nhất (1425kV), đang ở trạng thái chớp nhoáng quan trọng; khi sét đánh vào cánh tay chéo, cường độ trường điện từ gần cánh tay chéo là cao nhất (6.2×10⁵V/m); khi sét đánh vào đỉnh tháp, điện áp và dòng điện tức thời trên đỉnh tháp là cao nhất. Khi tăng điện trở nối đất từ ​​5Ω lên 20Ω, điện áp quá độ ở đáy tháp tăng thêm 277%, và dòng điện quá độ ở lưới nối đất giảm đi 38.4%, làm tăng đáng kể nguy cơ phóng điện cách điện.

(4) Trường điện từ nhất thời xung quanh tháp cực có đặc điểm phân bố không gian rõ ràng. Nó phân rã theo cấp số nhân khi khoảng cách từ thân tháp tăng lên, và có tính định hướng đáng kể. Cường độ trường điện từ theo hướng sét đánh là cao nhất ở cùng khoảng cách.

(5) Kết quả kiểm chứng thực nghiệm cho thấy sai số tương đối giữa kết quả thực nghiệm và kết quả mô phỏng nhỏ hơn 8%, khẳng định độ tin cậy và độ chính xác của mô hình mô phỏng. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở lý luận và kỹ thuật đáng tin cậy cho việc thiết kế chống sét cột đường dây 500kV.

Dựa trên kết quả nghiên cứu, Các đề xuất tối ưu hóa sau đây được đưa ra cho thiết kế chống sét của cột đường dây 500kV:

(1) Tăng cường bảo vệ dây cách điện trong điều kiện dây dẫn bị sét đánh. Khuyến nghị lắp đặt chống sét oxit kim loại trên dây cách điện của cột đường dây 500kV, đặc biệt là ở những khu vực dễ bị sét đánh. Bộ chống sét có thể hạn chế quá điện áp nhất thời trên chuỗi cách điện, tránh hiện tượng phóng điện cách điện, và bảo vệ dây cách điện và dây dẫn.

(2) Giảm điện trở nối đất của cột tháp. Áp dụng các biện pháp như mở rộng lưới tiếp đất, đặt các điện cực nối đất ngang và dọc, đồng thời sử dụng chất giảm điện trở nối đất để giảm điện trở nối đất của tháp cột xuống dưới 5Ω. Điều này có thể làm giảm hiệu quả điện áp thoáng qua ở đáy tháp, tăng cường độ dòng điện tức thời đưa vào lòng đất, và cải thiện hiệu suất chống sét của tháp cực.

(3) Tối ưu hóa kết cấu cột tháp. Dành cho các bộ phận tay đòn và đỉnh tháp dễ chịu cường độ trường điện từ cao, tăng diện tích tiết diện thép góc một cách hợp lý hoặc sử dụng ống thép có độ dẫn điện tốt hơn để giảm trở kháng sóng của thân tháp, do đó làm giảm điện áp nhất thời và phân phối dòng điện. Cùng một lúc, thiết kế hợp lý khoảng cách giữa tay đòn và dây dẫn để tăng khoảng cách cách điện.

(4) Tăng cường giám sát chống sét các đường dây truyền tải. Lắp đặt thiết bị giám sát sét trên các cột điện đường dây 500kV trọng điểm để theo dõi thông số sét đánh theo thời gian thực (chẳng hạn như đỉnh dòng sét, dạng sóng, vị trí tấn công) và phản ứng nhất thời của tháp cực. Điều này có thể cung cấp hỗ trợ dữ liệu để tối ưu hóa thiết kế chống sét và bảo trì đường dây truyền tải.

Mặc dù bài báo này đã tiến hành nghiên cứu chuyên sâu về đặc tính quá độ điện từ của cột điện 500kV dưới tác dụng của xung sét toàn sóng., vẫn còn một số khía cạnh cần được nghiên cứu thêm trong tương lai:

(1) Nghiên cứu đặc tính quá độ điện từ dưới dạng sóng xung sét không chuẩn. Sét tự nhiên bao gồm mặt trước dốc, đuôi dài, và xung sét nhiều tia. Nghiên cứu trong tương lai nên tập trung vào phản ứng tức thời điện từ của tháp cực dưới các dạng sóng không chuẩn này, và đánh giá toàn diện hiệu quả chống sét của tháp cột.

(2) Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố môi trường phức tạp. Nghiên cứu hiện nay chưa xem xét đến ảnh hưởng của các yếu tố môi trường như mưa, tuyết, và gió đến đặc tính quá độ điện từ của tháp cực. Nghiên cứu trong tương lai nên thiết lập một mô hình mô phỏng xem xét các yếu tố môi trường phức tạp, và phân tích ảnh hưởng của các yếu tố này đến phản ứng nhất thời của tháp cột.

(3) Nghiên cứu ghép nối quá độ điện từ giữa cột điện và thiết bị lân cận. Cột điện đường dây 500kV liền kề với các thiết bị như tháp truyền thông, tủ phân phối điện. Trường điện từ chuyển tiếp do sét đánh tạo ra có thể có tác động ghép đôi lên các thiết bị lân cận này. Nghiên cứu trong tương lai nên nghiên cứu nhiễu điện từ giữa cột điện và thiết bị lân cận, và đưa ra các biện pháp chống can thiệp tương ứng.

(4) Phát triển công nghệ chống sét thông minh cho tháp cột. Kết hợp các công nghệ mới nổi như trí tuệ nhân tạo và dữ liệu lớn để thiết lập hệ thống chống sét thông minh cho cột đường dây truyền tải 500kV. Hệ thống có thể dự đoán sét đánh, điều chỉnh các biện pháp chống sét theo thời gian thực, và nâng cao khả năng chống sét chủ động của hệ thống điện.