Giriş: Yıldırım'ın Güç İletim Altyapısı'na Tehdit Edilmesi

Yıldırım grevleri elektrik güç sistemleri için en yıkıcı doğal fenomenler arasındadır. Tek bir grev, kalıcı bir akım 100 kA'yı bir aktarma çizgisine kadar, iletkenleri, hasar dönüştürücüleri ve yaygın siyahoutlara neden olabilir. Amerika Birleşik Devletleri'nde, yıldırımla ilgili maliyetler yüzlerce milyon dolar değerinde sabit koruma şemalarını tasarlayabilir, mühendisler bu dalgaların iletkenleri nasıl doğru bir şekilde çözemezler, zeminleme sistemleri ile etkileşim kurarlar ve stres ekipmanı ile etkileşim kurarlar.

Yıldırım tarafından üretilen akımı simüle etmek için CFD araçları kullanarak mühendisler, güç sistemi tasarımcıları için uygun olmayan geçici davranışların yüksek sadakat görünümünü kazanırlar ve yalıtım koordinasyonunu uygularlar.Bu makale, yıldırım dalgalanma analizi için gerekli olan ilkeleri ve pratik faydalarını keşfeder ve güç sistemi tasarımcıları için harekete geçebilir.

Lightning-Indüktörleri Trans İlet Hatları Üzerine Anlamak

Yıldırım doğrudan bir faz iletkeni veya bir kalkan teli vururken, yol boyunca her iki yönde de mevcut nabız seyahatleri ve tipik bir yıldırım akımının dalgaformu birkaç mikrosaniyede ve on iki mikrosaniyede çürük ve çürükler halindeki boşlukları da ortaya koyar - yüksek d))

Bir yıldırım dalgalanmasının şiddeti birkaç parametreye bağlıdır:

  • [FONT:0]Stroke amplitüd ve kutupite:[Dönetici:[Dönetici:0) Olumsuz ilk vuruşlar (en yaygın) genellikle 20-60 kA'dan mevcut taşır, ancak olumlu vuruşlar 200 kA'yı aşabilir.
  • [FONT:0) Yükselenlerin ([Döncüler) [Döncüler)[[Döncüler: 2)))))) daha yüksek indüktif gerilimler boyunca daha yüksek hıza neden olur.
  • [FONT:0)Line engellenme ve büyüme engelleyici: Şefin karakteristik olarak seyahat dalgasının nasıl sonsuzlukta nasıl davrandığını belirler.
  • [FONT:0)Grounding direniş: [Dönetici: [Dönder: Yüksek kule ayaklama direnci geriflashover olasılıklarını artırır.

Bu fenomenleri çözmek, yayılımı, yansıma, kırılma ve çizgi boyunca değerlendirmeyi yakalamak için bir yöntem gerektirir, ayrıca tutuklama elemanlarının ve insulator flaşover yaylarının doğrusal olmayan davranışı.

Elektromanyetik Cerrah Modelleme Neden Sağladı?

CFD geleneksel olarak Navier-Stokes denklemlerini akışkan akışı için çözmekle ilişkilendirilir, ancak modern CFD platformları (örneğin ANSYS Fluent, COMSOL Multifizik ve OpenFOAM) tek bir, birleşik ortamda tam yıldırım grevi etkinliğini taklit edebilir.

Bir CFD tabanlı multifiziksel yaklaşım kullanmanın temel avantajları şunlardır:

  • [FONT=0)Geometri esnekliği: [DFLT:1] CFD ağ yapıları kompleks 3D geometrileri temsil edebilir - kuleler, paketler, ustalar, yüksek doğrulukla.
  • [FONT=0)Multifiziksel darbe: [Dönetici: [Dönüşük: 0,4] Mevcut akış dirençli ısıtma (Joule ısıtma) ile karşı karşıya kalabilir ve eğer konsantre modeller sıcaklık yükselebilir ve başarısızlık puanlarını tahmin edebilir.
  • [FONT=0] Hava iyonu ve yay modellemesi: Yüksek elektrik alanında güçlü, hava iletken hale gelir. CFD çözücüler bir plazma kanalının oluşumu ve genişlemesini tahmin etmek için kritik olan genişlemeyi taklit edebilir.
  • [FONT=0)Transient devretme:[Dönetici:0)[Dönetici kodlarında sabit zaman adım adım adım atma programları, hızlı elektromanyetik geçicilerin (mikrosaniye ölçeği) stabil simülasyonuna izin verirken, aynı zamanda daha yavaş termal difüzyonu (millisan ölçek).

Grev Lightnings'i modellemek: Core Methodology

Elektromanyetik Alan Formülasyon

Herhangi bir yıldırım dalgalanma simülasyonunun temeli, Maxwell'in denklemlerini ya da integral formdaki çözümü çözüyor.Transport hattı sorunları için mühendisler genellikle iletim hattını kullanıyor (TL) Yaklaşık olarak, vektör dalga denklemlerini çözer: ancak bu yaklaşım grev noktasının yakınında, uzun kuleler için veya önemli koro ve iyonizasyon için ortaya çıkıyor.

[FONT:0] × (μ[[DÜDÜT:2)[Üye: 9)[Üye/Üye/Üye) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

[FONT:0]E[DÜDÜDÜDÜŞÜNÜŞÜNÜ:0][Üye Olmayanlar[Üye Olmayanlar İçindekiler) [DÜye Olmayanlar İçindekiler İçindekiler İçindekiler İçindekiler İçindekiler İçindekiler, [DÜye Olmayanlar İçindekiler)

Lightning Source'ı temsil etmek

Yıldırım vuruşu zaman bağımlı bir mevcut kaynak olarak modellenir, genellikle Heidler işlevini veya çift-exponential dalgaformunu kullanır:

  • [FONT=0) [FONT=[FONT=0)[0|0|0|0|0|0|0|4|) [Dönetici/ ⁇ [D)[Dönemli/ ⁇ [D)[Dönemli)[Dönemli)[Dönemli)[Dönemli)[Dönemli/tr|Dönemli/tr|D)
  • [FONT:0)Channel imkansız:[Dönetici:[Dönetici: 1 ) yıldırım kanalının yaklaşık 300-1500 ULLY'nin bir dalgalanması var ve genellikle bu imkansızlık ile seride bir gerilim kaynağı olarak modellenir.

Geometri ve Meşrular

Bir iletim hattının tipik bir CFD modeli şunlardır:

  • Bir veya daha fazla yay (her iki300-400 m) paketli şefler (en azından 2 veya 4 alt katta)
  • Kuleler (lattice veya tubular çelik) ayrıntılı haçla.
  • veya dizeler, yüksek çözünürlük halkaları ve kalkan telleri.
  • Elektronları (karşılama, çubuklar, ızgaralar)

Çünkü yıldırım frekanslarında cilt derinliği (10-100 kHz) alüminyum için milimetrenin emrinde, iletkenler çok iyi yüzey elementleriyle ağlanmalıdır. Adaptif ağ rafinerisi genellikle ince mevcut araç bölgeleri çözülürken kullanılabilir.

Lightning-Indük Şimdiki Akışlarda Anahtar Fiziksel Faktörler

Line Geometry ve Malzeme Özellikleri

Bir iletkenin yükselişi, yarının üstünden yüksekliğe ve yakın iletkenlerin varlığına bağlıdır (mutlu darbe) Çelik-reinforced alüminyum iletkenler (ACSR) deri ve etkiler nedeniyle frekans bağımlı bir dirençe sahiptir. yüksek d)

Yeraltı Sistem Etkililiği

Düşük zemin direnci (tipik olarak < 10 {{) aşırı kule potansiyel yükselişi olmadan yıldırım enerjisini boşaltmak için gereklidir. Ancak, toprak direnci bir kez nem ve sıcaklıkla değişir ve yüksek akım kesintilerinde (petrol iyonizasyon) olarak bilinen bu fenomendir.[Dönetici).

Çevre Koşulları

Rüzgar ve yağmur, insulator dizelerinin flaşını etkiler ( ıslak flaş gerilimi daha gerçekçi bir resim için elektromanyetik simülasyon ile onları basitleştirir.

Corona ve Ionization

Elektrikli alan iletken yüzeydeki elektrik alanı havanın bozulmasına son verir (~3 MV /m standart koşullarda), koro deşarjı başlar. Bu, alan dağıtımını modlayan ve üst düzey koroner modellerini (örneğin, suç türü için bir darbe modeli) oluşturur.

Step-by-Step Simülasyon Çalışması

  1. [FONT=0)Define geometri ve malzemeler:[Dönetici:[Dönetici:0)Komünasyon ve malzeme:[Dönetici:0)[Döneticiler, kulenin, şefler ve zeminleme sistemi.
  2. [FONT:0]Set up fizik arayüzleri:), Elektromanyetik dalgalar (zaman alanı) ve ısı transfer arayüzleri seçin. Seçmeli olarak, ark dinamikleri arzu edilirse bir plazma taşıma modeli ekleyin.
  3. [FONT:0) Uygulamalı sınır koşulları:[Dönemli kaynaklar:[Dönemli) yıldırım kaynağı, mevcut liman veya topak bir kaynak olarak grev noktasında uygulanır. hattın sonları, maçsız yüklerle (köpücüksel dürtü) bir seyahat dalgası incelenmeden kaçınmaya sonlanır.
  4. [FONT=0]Pektif yüzeylerde sınır tabakalı hexahedral veya tetrahedral elementleri kullanarak, cilt derinliğinin en yüksek faiz frekansında olması gerekir.
  5. [FONT=0]Dönergesel simülasyonu:[Dönetici: [Dönetici:0)=0'dan t=100-200 μs'ye kadar (önderin dalgalanmalarını ve yansımalarını yakalamak için) önyü çözmek için bir zaman adım kullanın.
  6. [FONT:0]Post-process results:[Döneticiler boyunca mevcut ve gerilimler, tutuklamalarda enerji dağılımı, kondüktörde sıcaklık artışı ve elektrik alanı stresleri.

Vaka Çalışması: 115 kV Line üzerinde Backflashover

Pratik uygulamayı göstermek için, AC/DC Modül ve Heat Transfer Modül ile 115 kV iletim hattını düşünün; MV'yi aşmanın ilk darbesi, 9 kV'yi kullanarak kalkan teline çarpıyor (örneğin, 115 kV).

Simülasyon iki temel öngörü ortaya çıkardı:

  • Yüksek toprak direnci nedeniyle kule üssünde mevcut konsantrasyon (500 ⁇ m) zemin potansiyelinde hızlı bir artışa neden oldu, kuleden faz iletkenine geri dönüş.
  • Bir karşıtlık eklemek (kahkadar yüzüğü 1 m derine gömdü) kule potansiyelini% 40 azalttı ve 60 kA'ya kadar inme için geriflashover ortadan kaldırdı.

Bu tür analiz, bir CIGRE çalışma grubunun saha ölçümlerine karşı doğrulandı, CFD'nin maliyetinin etkisiz mitigation stratejilerine nasıl rehberlik edebileceğini gösteriyor - milyonlarca gereksiz hat yükseltmelerinde tasarruf.

CFD Simülasyonun Geleneksel Yaklaşımlar Üzerinde Faydaları

  • [FONT:0) Tahminler hasar noktalarına zarar verir: [Dönetici: [Dönetici: 1) Mevcut yoğunluk ve sıcaklıkları birleştirerek, mühendisler tam olarak yayıldığı yerde, er ya da termal runaway meydana gelebileceğini tespit eder.
  • [FONT:0)Optik zemin ve kalkanı: Parametrik, elektrot boyutları, kule ayağı direnişi ve kalkan tel yerleştirmesi fiziksel prototipler inşa etmeden çalıştırılabilir.
  • [FONT:0)Reduces pahalı fiziksel test: Yüksek gerilimli kuleler üzerinde yapılan testler, test başına on binlerce dolara mal olabilir. CFD sanal test, maliyetin bir kısmı için yüzlerce senaryoyu kaplayabilir.
  • [FONT:0)Enhances güvenlik ve standartlar: Simülasyon sonuçları daha doğru yıldırım koruma standartlarının geliştirilmesini destekliyor (IEEE, IEC, NFPA) ve iklim değişikliği altında aşırı hava olayları için tasarım yardımcı oluyor.
  • [FONT:0) Yenilikçi çizgi konfigürasyonlarının tasarımı: Örneğin, optimize edilmiş kompakt kuleler, düzenlenmiş haçlı haçlı kanallar veya lineer dalgalanmalar riskle kaplı bir ortamda değerlendirilebilir.

Meydanlar ve Sınırlar

Onun gücüne rağmen, yıldırım dalgalanmalarının CFD simülasyonu zorluksız değildir:

  • [FONT:0)C ⁇ maliyeti:[DDD=D=D=D=D=D=0) kule için tam 3D modeli genellikle gereklidir.
  • [FONT:0) Giriş parametrelerinde Uncertainty:) Soil direniş, yıldırım akım dalgaformları ve kanal dürtüleri yüksek değişkendir.
  • [FONT:0]Nonlinear malzeme modelleri: [Dönetici: [Dönetici: 0] Soil iyonizasyon ve ark plazma fiziği hala aktif araştırma alanlarıdır. Basitleştirilmiş mühendislik modelleri aşırı koşullar için yanlış olabilir.
  • [FONT=0]Validation data kıtlığı:) Doğrudan yıldırım akımlarının işletim iletim hatları üzerindeki ölçümler nadirdir. Çoğu doğrulama yapay olarak enerji deneyleri veya ölçeklenmiş laboratuvar testlerine dayanmaktadır.

yıldırım dalgalanma simülasyonu alanı hızla gelişmektedir. ilerlemenin temel alanları şunlardır:

  • [FONT:0)GPU Hızlandırma:[Dönetici:[Dönetici:0) Modern CFD kodları, dalga denklemi için GPU çözücüleri kabul ediyor, günlerden saatlerce simülasyon süreleri.
  • [FONT:0)Makine öğrenme sorguları:[Dönetici sonuçları üzerinde eğitilmiş Neural ağları akıllı ağ kontrol sistemleri için gerçek zamanlı dalgalanma tahminleri sağlayabilir.
  • [FONT:0) Güç sistemi elektromanyetik geçici (EMT) yazılım ile ilgili olarak: ), EMTP-RV veya PSCAD gibi Co-simulation, sistem düzeyindeki çalışmalara yerel multifiziksel sadakatle izin verir.
  • [FONT:0)Climate değişim adaptasyonu:[Dönetici:[Dönetici:0) Bazı bölgelerde artan fırtına yoğunluğuyla, CFD modeller, yükseltilmiş yalıtım seviyelerini ve daha sık bakım döngüleri için ihtiyaç değerlendirmeye yardımcı olur.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Dinamik olarak yayılan akış, birleşik bir çerçevede, mühendisler yeni kule tasarımlarını doğrulamak için güçlü, çokfiziksel bir yaklaşım sunuyor.Demokratlı kaynaklama, ısıtma ve iyonizasyon, birleşik bir çerçevede, mühendisler, gelişmiş yöntemlere uygun olmayan hataları tahmin edebilir.

Yıldırım koruma standartları ve simülasyon hakkında daha fazla bilgi edinmek için, [[Dönetici:0)IEEE) , [[TheÜye Tarihi:2|Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü (NIST)) ve [[DüzDÜye Olmayanlar İçin Tıklayınız.[DÜye Olmayanlar İçin Tıklayınız.