مدل دامنه فركانس براى تحليل موقت رعد و برق سيستم هاى حفاظت از ساختمان





۱-       
چکیده

رویکرد مدل
سازی فرکانس برای سیستم های حفاظت از رعد و برق (
LPS) ساختمان ها در این مقاله شرح داده شده و معتبر است. این مدل بر
اساس ۲ پورت است.نمایش خط انتقال هر هادی و مونتاژ بیشتر از یک شبکه ای که ساختار
کامل را نشان می دهد. هادی افقی و عمودی هستند

مدل سازی با
استفاده از فرمول های مبتنی بر روش تصاویر پیچیده، برای به دست آوردن وابستگی
فرکانس حساب تغییر پارامترهای الکتریکی با ارتفاع همچنین برای هادی عمودی در نظر
گرفته شده است. این کار با استفاده از یک رویکرد مدل سازی یکنواخت بر اساس زیرساخت
هادی و آبشار و اتصال ماتریس های زنجیره ای برای هر قطعه محاسبه شده است. نتایج از
مدل با مقایسه در جای دیگر با اندازه گیری ، و همچنین شبیه سازی با استفاده از
PSCAD / EMTDC گزارش شده است

.

کلید واژه ها:
الکترومغناطیس، مدل سازی فرکانس



 

 

۱-۱-   
معرفی

هدف  از سیستم
های حفاظت از رعد و برق (
LPS) ساختمان ها  ، حفاظت از جریان های رعد و برق به زمین با حداقل
تاثیر ممکن بر روی تجهیزات، تاسیسات و افراد داخل ساختمان است. این تأثیر عمدتا به
این  دلیل است که محیط الکترومغناطیسی (انجام و راندمان) تولید شده توسط گردش
جریان از نقطه ضربه سکته مغزی به رعد و برق الکترودهای زمینی  می باشد[۱]. تفاوت
های ولتاژ بزرگ بین نقاط مختلف ساختار، که برای افراد و تجهیزات در داخل ساختمان
خطرناک است، همچنین می تواند به عنوان یک نتیجه از جریان های گردش خون ظاهر شود.
الکترونیک و ارتباطات اجزاء (تجهیزات حساس) به خصوص در معرض آسیب و یا شکست هستند
.این شرایط علاوه بر این، عملکرد ساختار
LPS به ویژه مهم است که ماژولهای فتوولتائیک (PV) روی سقف ساختمان نصب شوند [۲].

LPS از اجزای فلزی در بتن مسلح یا فولاد سازه ها، و
همچنین هادی عمودی و افقی واقع در خارج از ساختار، همانند قفس فارادی تشکیل شده
است [۳]. یک مثال در شکل ۱ نشان داده شده است.

تجزیه و تحلیل
گذرا از
LPS که توسط سکته های رعد و برق مستقیم انجام می شود
می تواند به معنی اندازه گیری های زمین یا تنظیمات آزمایشی در نمونه های کم حجم
باشد [۱]، [۳] و همچنین شبیه سازی های دیجیتالی با استفاده از ابزارهای نرم افزاری
مختلف،آزمایش معمولا پیچیده، گران و حساس به حروف است. از سوی دیگر، شبیه سازی می
تواند با موارد مختلف آزمون ساده تر انجام دهد.

روش های
متعددی برای شبیه سازی ترتیبات ساختار ساختمان وجود دارد. مانند آنهایی که بر اساس
مدارهای پارامتر محدوده معادل [۴، ۵، ۶، ۷]، روش لحظات، [۸، ۹، ۱۰]، روش متداول
دامنه محدود (
FDTD)
[۱۱
، ۱۲، ۱۳،

۱۴]، روش
المان محدود (
FEM)
[۱۵]
، [۱۶]، و غیره یک رویکرد جایگزین نمایش ساختار با استفاده از یک شبکه
از افقی و خطوط انتقال عمودی این قبلا برای مدل سازی برج با نتایج بسیار خوب 
استفاده شده است[۱۷]، [۱۸].

در این کار،
یک مدل دامنه فرکانس
LPS برای مطالعات رعد و برق مستقیم شرح داده شده  است. این مدل بر اساس
نمایندگی از هر جزء ساختار افقی یا
Vertica با استفاده از یک مدل خط انتقال ۲ پورت است. پس
از همه

اجزای مدل
سازی شده، مدل ماتریس پذیرش برای ساختار کامل تعریف شده است، که سپس برای ولتاژ
گره حل می شود. از چنین ولتاژهایی جریان در گردش در طول هر مولفه ساختار نیز
محاسبه شده است. سرانجام، پاسخ دامنه زمانی ساختار با استفاده از تبدیل لاپلاس
عددی معکوس بدست می آید [۱۹].

نتایج مدل
پیشنهادی با نتایج تجربی مقایسه شده است که در [۳] گزارش شده  است، و همچنین نتایج
از یک مدل اجرا شده در نرم افزار حرفه ای

PSCAD /
EMTDC
نیز گزارش و بیان گشته است.

 

شکل ۱: حفاظت
از رعد و برق یک ساختمان.

 

سهم این کار
را می توان به شرح زیر خلاصه کرد:

۱٫ مدل
پیشنهادی، فرکانس وابستگی ساختار اجزای ناشی از اثر پوست در هادی ها و هدایت زمین
محدود،و همچنین عدم تناسب پارامترهای هادی عمودی به علت تنوع با ارتفاع را در نظر
می گیرد

۲٫ نشان داده
شده است که محاسبه ولتاژ گذرا در حالت های مختلف گره های ساختار
LPS نیاز به مدل سازی دقیق از هادی افقی و عمودی
دارد، با توجه به وابستگی فرکانس و غیر یکنواختی (در مورد اجزای عمودی) توانایی
برنامه های شبیه سازی گذرا موجود در حال حاضر امکان پذیر نیست.برای مقایسه از
PSCAD / EMTDC استفاده می شود، اما دیگر برنامه های نوع EMTP محدودیت های مشابه برای مدل سازی هادی عمودی
دارند.

۳٫ همچنین
نشان داده شده است که جریان های گردش در طول ساختار می تواند با دقت کافی با نرم
افزار شبیه سازی حرفه ای  (
PSCAD / EMTDC)، با استفاده از مدل های خط انتقال موجود.به دست آمده باشد.

در این کار،
با هدف تعادل بین دقت و عملی بودن مدل سازی پیشنهاد ، اتصال القایی و خازنی بین
اجزای ساختار نادیده گرفته می شود. نتایج شبیه سازی نشان می دهد که برای موارد تست
مورد بررسی، این جفت شدن یک پارامتر قابل توجه نیست، زیرا تفاوت بین شبیه سازی و
نتایج تجربی کمتر از ۵
٪ است. این به خاطر
این واقعیت است که فاصله بین هادیها برابر یا بیشتر از طول
آنها برای همه ساختار اجزاء ست، که در نتیجه یک عامل ضریب پایین است. از این قبیل
مشاهدات بسیار است.

مهم
این است که یک مدل مبتنی بر یک هادی ساده تر است، زمان کم کامپیوتر مصرف و ساده تر
شدن در یک بسته نرم افزاری تجاری از یک مدل مبتنی بر چند کانتکور ،از این قبیل
موارد است.

 توجه داشته
باشید که برای
LPS فاصله متقابل بین هادیها اغلب با طول ساختار
عناصر،  قابل مقایسه است مدل شرح داده شده در مقاله می تواند با اعتماد به نفس
کافی برای انواع موارد واقعی اعمال شود با این وجود، کارهای آینده برنامه کاربردی
را بررسی خواهند کرد.

خط مشی مدل خط
انتقال چندگانه به طور کلی بیشتر در نظر گرفته می شود نسبت به مواردی که ممکن است
با این موضوع مطابقت نداشته باشند و می توانند فاکتورهای همبستگی بزرگتری را نشان
دهند.

۱-۲-   
مدل

سه جزء اساسی
مدل
LPS وجود دارد:

        هادی های افقی

هادی های عمودی

قطعات پایه

رویکرد مدل
سازی به دنبال هر جزء در زیر توضیح داده شده است.

۱-۲-۱-   
هادی افقی

هر یک از هادی
های افقی در ساختار فلزی به شکل مشابه ی  یک خط تک فاز هوایی  مدل سازی می شود

. این مدل از
معادلات تلگراف دامنه فرکانس برای یک هادی واحد در زبان شروع می شود. با استفاده
از شرایط مرزی، ۲ پورت نمایندگی (ماتریس پذیرش) که در این کار استفاده می شود، به
دست می آید:

(۱)                                                                    

جایی که VL، VR IL e IR، ولتاژ و ولتاژ گره در انتهای چپ و راست هادی، استبه ترتیب. عناصر
ماتریس پذیرش یک هادی افقی،به صورت ذکر شده در ذیل تعریف شده اند

جایی
که
Zh و
Yhامپدانس
سری و ورودی شانت  هادی افقی هستند و به ترتیب
ℓh طول آن است. محاسبه پارامتر برای هادیهای افقی
شناخته شده است [۲۰] و تنها  بخشی برای تکمیل مقاله ازبقیه این موارد خلاصه شده
است

.امپدانس سری
هادی افقی را می توان به سه بخش تقسیم کرد:

امپدانس
هندسی،
Zh,G امپدانس انجام هدایت زمین محدود، Zh، E،و امپدانس هدایت
داخلی،
Zh,C:

 

                                                                         
 (۳)

 

امپدانس هندسی
با توجه به استفاده ی زمین از روش تصاویر به طور کامل هدایت ومحاسبه می شود. این
موارد عبارت زیر را بیان می کند:

(۴)                                                                           

جایی که ω فرکانس زاویه ای است، μ۰ نفوذپذیری فضای آزاد است، ارتفاع هادی بالای
زمین
h
 است و r شعاع آن است.

امپدانس به
علت هدایت قطبش زمین با استفاده از روش تصاویر پیچیده محاسبه می شود [۲۱]، [۲۲].
در نظر گرفته شده است که جریان برگشت زمین توسط یک هواپیما ساختگی موازی با
هواپیما زمین و با نفوذ پیچیده تعریف شده به عنوان عمق محدود و چنین ارائه شده
است:

جایی
که
σE هدایت زمین است. از این
تعریف، امپدانس جزء هادی افقی به علت محدودیت هدایت زمین ،توسط عبارت زیر داریم:

 

امپدانس هدایت
داخلی به علت اثر پوست است،  و به این دلیل است که تمایل جاری به عنوان فرکانس  در
سطح هادی افزایش می یابد. این پدیده

با استفاده از
مفهوم عمق نفوذ پیچیده در داخل هادی ، تقریب می شود،
δ، بیان شده به عنوان

 

جایی که σE هدایت هادی است. با توجه به هر دو dc و بالا بودن اجزای فرکانس امپدانس داخلی، بیان
زیر به دست آمده است:

از سوی دیگر،
پذیرش شانت یک هادی افقی  از روش تصاویر نیز محاسبه شده است؛ عبارت متناظر است

۱-۲-۲-   
هادی عمودی

محاسبه
پارامتر هادی عمودی زیر رویکرد پیشنهاد شده توسطگوتیرز و همکارانش برای مدل سازی
برج [۱۷].

 در این مرجع،
یک هادی عمودی  با استفاده از یک خط غیر یکنواخت  نشان داده شده است، با توجه به
اینکه  پارامترها یک تابع از موقعیت عمودی برقی آن هستند. بنابراین، هر هادی عمودی
که به بخش های
n تقسیم می شود، پارامترهای الکتریکی هربخش را
محاسبه می کند. در [۱۷]، سیستم حاصل با استفاده از روش ویژگی ها که یک روش تفاوت
محدود برای راه حل زمان محدوده معادلات تلگراف ،است ،حل می شود.

در مقابل، در
این کار مدل ماتریس زنجیره دامنه فرکانس دامنه هر بخش به دست آمده و سپس روش اتصال
زنجیره ای از ماتریس های زنجیره ای اعمال می شود، همانطور که در [۱۸] شرح داده شده
است. با استفاده از این روش، یک مدل ماتریس زنجیره ای برای هادی عمودی کامل به شرح
زیر است:

                                (۱۰)

جایی که VU، VD، IU و ID ولتاژ و جریان در انتهای بالا و پایین از هادی
عمودی است؛
Φv ماتریس زنجیره  هادی کامل استو Φi ماتریس زنجیره ای از هادی عمودی i-th است که به صورت زیر تعریف می شود

 (۱۱)

جایی که ,  , پارامترهای الکتریکی (امپدانس سری و شنت) ورودی
بخش هفتم هادی عمودی هستند،

 طول هادی کامل و n تعداد زیرمجموعه ها است.

امپدانس سری i -th بخش هادی عمودی ،Zi ،محاسبه می شود.با توجه به این که این پارامتر
توسط ۳ مولفه تشکیل شده است، به طور مشابه توسط معادله (۳)بیان شده است. برای هادی
افقی :

 

فرمول های
مربوطه عبارتند از:

 

جایی که hi ارتفاع قطعه هادی i-th است.
امپدانس داخلی هر یک بخش هادی عمودی ،

، با استفاده
از همان معادله ای محاسبه می شود که برای اجزای افقی مورد استفاده قرار می گیرد
[معادله. (۸)].

از سوی دیگر،
ورودی شانت بخش
i-th از هادی عمودی ،
 ،همانند ذیل محاسبه می شود

هنگامی که
ماتریس زنجیره ای از هادی عمودی کامل بر اساس معادلات (۱۰) و (۱۱)،  محاسبه می
شود، به ماتریس پذیرش تبدیل می شود، به طوری که می تواند به طور مستقیم (در رابطه
با مقادیر (۱)) برای جمع آوری شبکه های هادی های افقی و عمودی که ساختار ساختمان
را تشکیل می دهند، مورد استفاده قرار بگیرد.همانطور که دربخش ۲٫۴ بیان شده است. به
منظور انجام چنین تحولی، معادله (۱۰) از عناصر ماتریس زنجیره ای از هادی عمودی
بازنویسی می شود

با استفاده از
دستکاری جبری ساده از معادله. (۱۵) ماتریس پذیرش مدل هادی عمودی به دست آمده است
[۲۳]:

 

۱-۲-۳-   
قطعات پایه

توزیع جریان
های رعد و برق به زمین با استفاده از فلز متخلخل الکترود (میله های زمین) انجام می
شود. این الکترودها می توانند در مدل
LPS با ۳ طریق مختلف قرار گيرند:

۱٫ به عنوان
مقاومت ساده پایه.

۲٫ به عنوان
مدارهای
RLC پارامترهای توزیع شده نشان دهنده هر الکترود
عمودی است.

۳٫ با استفاده
از نمایندگی توزیع پارامتر پخش در امتداد میله ها که در نظر گرفته شده است

. وابستگی
پارامترها به موقعیت عمودی (مدل غیر یکنواخت) نیز می تواند مورد توجه قرار گیرد.

هر یک از این
نمایه ها می تواند در مدل پیشنهادی گنجانده شود. اگر گزینه سوم در نظر گرفته شده
باشد (از جمله عدم تناسب پارامترهای الکتریکی)،مدل میله زمین بسیار شبیه به مدل
توصیف شده برای هادی ساختار ساختمان عمودی خواهد بود. تفاوت اصلی در محاسبه پذیرش
شانت برای میله های زمین است، این پارامتر باید شامل موارد زیر باشد:جزء خازنی،
مولفه هدایت شنت که از طریق آن جریان رعد و برق به زمین رسیده است [۲۴]. بیان مربوطه
به شرح زیر است (اصلاح شده از [۱۷]):

جایی که ΕE زمین است. همچنین در این مورد، hi نشان دهنده  موقعیت بخش i-th میله در جهت –y (به جای + Y)جهت در معادله (۱۴))عمودی است

 

۱-۳-   
. مونتاژ شبکه و راه حل حوزه فرکانس

 

با توجه به
سیستم متشکل از گره های
N، ساختار کامل فلزی است که با استفاده از مدل ماتریس گره یا ورودی
به شرح زیر توصیف می شود:

جایی که Yij عنصر واقع در ردیف i و ستون j در ساختار ماتریس ورودی است، Ii عنصر i-th از درون جریان تزریق است، و Vi i-th  عنصر بردار ولتاژ گره است. درج یک جزء ساختار
(افقی یا عمودی) بین گره های
i و j از ماتریس پذیرش که در معادله تعریف شده است.
(۱۷)چنین ماتریسی را با توجه به تغییرات،می شود:

 

جایی که A و B عناصر ماتریس ورودی یک ساختار واحد جزء، تعریف
شده توسط معادله (۲
a) و (۲b) برای اجزای افقی و توسط معادله (۱۶) برای قطعات عمودی هستند.
عناصر "قدیمی" و "جدید" عناصر از ماتریس پذیرش قبل و بعد از
قرار دادن مولفه ساختار را نشان می دهند

استفاده از
معادله (۱۸) برای هر مولفه موجود تا زمانی که شبکه  نمایندگی ساختار فلزی شکل
گرفته باشد، تکرار می شود، همانطور که در معادله تعریف شده است. (۱۷). این معادله،
با توجه به تحریک جریان رعد و برق در گره مربوطه (نقطه ضربه) با استفاده از درون
جریان تزریق برای ولتاژ گره ، شامل عناصر پارامتر توزیع شده (به عنوان مثال مقاومت
پایه)، است انجام شده به طور مشابه به معادله (۱۸)،حل شده است.

.

در نهایت،
جریان فعلی بین گره های
i و j بر این اساس محاسبه می شود

پاسخ دامنه
زمان ساختار با استفاده از تبدیل لاپلاس عددی [۱۹] معکوس بدست می آید

۱-۴-     نتایج

به منظور
تأیید نتایج از مدل ارائه شده در این کار، دو مورد آزمون گرفته شده از [۳] در نظر
گرفته شده است. این مرجع ارائه اندازه گیری های تجربی (کاهش مقیاس) توزیع فعلی در
ساختارهای صنعتی است. این ترتیبات مورد استفاده برای اعتبارسنجی مدل در شکل ۲
بازتولید شده است. در ادامه،ترتیبات شکل ۲ (
a) و (b) به عنوان
ساختار
A و ساختار B،به ترتیب. هر دو سازه از سرب افقی و عمودی فولادی تشکیل شده است.

ابعاد هر
ساختار در شکل ۲ نشان داده شده است. برای تنظیمات آزمایشی در نظر گرفته شده، سازه
ها با استفاده از میله های عمودی پایه  به جای مقاومت با مقاومت ساده نیست اما
علاوه بر این [۳]، چنین مقاومت هایی برای ساختارهای مورد نظر برای اعتبار سنجی
ارزش ها را ذکر نمی کند ؛ بنابراین، مقدار ۲
Ω برای شبیه سازی فرض شد. مقاومت زمین و شعاع هادی
ها در اینجا ذکر نشده است، بنابراین مقاومت در برابر ۱۰۰
Ω-m (معمولی برای اکثر موارد) و a شعاع ۱ میلیمتر (به خاطر داشته باشید که این یک آزمون مقیاس کوچک
است) فرض می شود. موج-شکل جریان رعد و برق (
ip در شکل ۲) مورد استفاده برای آزمایش های تجربی
وشبیه سازی، توسط عبارت زیر داده می شود: [۱]:

 

با n = 4. مقادیر باقیمانده در معادله (۲۰)
در جدول ۱ ذکر شده است.

شکل ۲:
ساختارهای مورد نظر جهت اعتباربخشی مدل پیشنهادی:
a) ساختار A، b) ساختار B [3].

 

جدول ۱
پارامترهای شکل موج جریان رعد و برق [۱].

 

 علاوه بر این، سازه های نشان داده شده در شکل ۲
با استفاده از نرم افزار
PSCAD / EMTDC v.4.5 حرفه ای مدل سازی شدند. به عنوان مثال، شکل ۳
اجرایی از ساختار
A. را نشان می دهد

 شکل ۳٫
ساختار
A در PSCAD / EMTDC اجرا شده است.

در این نرم
افزار، عناصر افقی توسط تک خطوط فاز با استفاده از مدل خطی وابسته به فرکانس مشخص
شده در این برنامه به عنوان"مدل دامنه فاز" [25]. با این حال، این نرم
افزار شامل مدل هایی برای هادی عمودی است بنابراین، چنین هادی ها با استفاده از
مدل ثابت،پارامتر
Bergeron model [26] و محاسبه امپدانس مشخصه آنها با توجه به بیان ارائه شده توسط
هارا برای هادی عمودی  ست[۲۷]:

این فرمول
نتایج خوبی در رابطه با آزمایشات آزمایشگاهی [۲۸] و شبیه سازی ها با استفاده از
FEM [29] نشان داده است

با این حال،
آن را غیر یکنواخت و فرکانس ماهیت وابسته پارامترهای الکتریکی برای هادی عمودی در
نظر گرفته نمی شود.

۱-۴-۱-   
نتایج برای ساختار
A

شکل ۴ جریان
فعلی به دست آمده در هادی های مختلف ساختار
A (شاخه ها) را نشان می دهد، مقایسه نتایج حاصل شده با مدل پیشنهادی
(بعد ازاز مدل های
PSCAD / EMTDC بدست می آید. میتوان متوجه شد که پاسخ های هر دو روش بسیار مشابه
هستند. سپس، حداکثر مقادیر فعلی در هر هادی ساختار محاسبه و مقایسه شده با نتایج
تجربی در [۳] گزارش شده است. این در جدول ۲ نشان داده شده است. شماره شعبه می توان
در شکل ۲ (
a) شناسایی شود.
علاوه بر این، تفاوت نسبی بین شبیه سازی

نتایج و
اندازه گیری های تجربی محاسبه می شود. این در شکل ۵ نشان داده شده است.

می توان
مشاهده کرد که تفاوت نسبی مدل پیشنهاد شده در برابراندازه گیری ها برای تمام شاخه
ها زیر ۱۰
٪ باقی مانده است، در حالی که در PSCAD /EMTDC آن را در شعبه ۱ به میزان ۱۷٫۳۶٪
می رساند و در ۳ از ۸ شاخه ها. بیش از ۱۰
٪
است

علاوه بر این،
میانگین نسبی تفاوت مدل پیشنهاد شده ،به طور قابل توجهی پایین تر از
PSCAD / EMTDC (6.65٪ به ترتیب
۸٫۳۳
٪) کمتر است.

علاوه بر
جریان جاری، یکی دیگر از پارامترهای مهم  که ارزیابی می شود،ولتاژ در گره های
مختلف ساختار است. اختلاف پتانسیلی بزرگ ممکن است برای مردم و تجهیزات داخل
ساختمان خطرناک باشد.  در شکل ۶ گذرنده  بیش از حد ولتاژ تولید شده توسط سکته رعد
و برق در گره های ۱ تا ۴ از ساختار (گره شماره گذاری در شکل ۲ (
a) نشان داده شده است. نتایج بدست آمده با PSCAD / EMTDC و همچنین بر خلاف جریانهای گردشی گنجانده شده
است ، که ولتاژ گذرا موقت محاسبه می شود با هر دو روش به وضوح به ویژه از نظر
دامنه متفاوت است،

.

شکل ۴٫ جریان
های گذرا در شاخه های مختلف ساختار
A

 

 

شکل ۵: تفاوت
نسبی بین نتایج شبیه سازی و اندازه گیری های تجربی برای

ساختار A.

 

برای کشف دلایل
این تفاوت ها، شکل ۷ طیف فرکانس  از امپدانس مشخصه یک عنصر عمودی معمولی را نشان
می دهد

 (توجه کنید
که ساختارهای
A و B همان نوع عناصر عمودی دارند). این طیف در مقایسه
با مقدار ثابت امپدانس مشخص شده برای
PSCAD /شبیه سازی EMTDC اظهارات زیر از این رقم بدست می آید:

۱٫ برای بخش
بزرگی از طیف فرکانس، امپدانس مشخصه محاسبه شده برای هادی عمودی مدل پیشنهادی
بزرگتر از

ارزش مورد
استفاده در
 PSCAD / EMTDCاست.
این باعث می شود که مقادیر بیش از اندازه ولتاژ مورد بزرگی
قرار داده شوند،از آنجا که ولتاژ موج حرکت به طور مستقیم متناسب با امپدانس مشخصه
هادی است.

 

شکل
۶: ولتاژ گذرا در گره های ۱ تا ۴ ساختار
A

 

 

شکل ۷٫ طیف
فرکانس امپدانس مشخصه برای یک هادی معمولی عمودی از ساختارهای
A یا B

 

۲٫ در منطقه
فرکانس بالا، طیف فرکانس مشخصه امپدانس برای هادی عمودی مدل پیشنهادی  محاسبه شده
است.نوسان این رزونانسها در امپدانس مشخصه  معرفی به
PSCAD / EMTDC محسوب نمی شوند

. در نتیجه،
تفاوت در فاز ومحتویات فرکانس را می توان در اوور ولتاژگذرا به دست آورد که هر دو
را می توان روش های محاسباتی دید.

به طور خلاصه،
شبیه سازی های به دست آمده با
PSCAD / EMTDC در گره های مختلف از ساختار اوور ولتاژ دست کم
گرفته می شدند. این می تواند منجر به حفاظت از مردم و تجهیزات داخل ساختمان ناکافی
شود.

۱-۴-۲-   
نتایج برای ساختار
B

شکل ۸ جریان
شتاب دهنده را در امتداد خطوط مختلفی از جریان  ساختار
B نشان می دهد. به طور مشابه به موارد قبلی، می توان دید که پاسخ ها
از مدل پیشنهادی و
PSCAD / EMTDC بسیار مشابه هستند. جریان حداکثرمقادیر در هر هادی ساختار محاسبه شده و
در مقایسه با اندازه گیری از [۳]. این در جدول ۳ ذکر شده است. تفاوت نسبی بین شبیه
سازی و نتایج تجربی در شکل ۹ نشان داده شده است.

اگر چه در این
مورد نتایج
PSCAD
/ EMTDC
در برخی از شاخه ها کمی نسبت به اندازه گیری ها نسبت به نتایج مدل
پیشنهادی نزدیک تر هستند،میانگین اختلاف نسبی مدل پیشنهادی کمتر از آنچه که به دست
آمده است،می باشد.

با PSCAD / EMTDC (4.37٪ در مقابل
۴٫۸۰
٪). علاوه بر این، تفاوت نسبی بین مدل
پیشنهادی و اندازه گیری ها در زیر تمام شاخه ها ۱۰
٪ است.
این برای نتایج
PSCAD / EMTDC نیست: نسبی است تفاوت در رابطه با اندازه گیری ها در شعبه ۱ به ۱۷٫۲۴٪ می
رسد.

در نهایت، شکل
۱۰، برتری های گذرا در گره های ۱ تا ۴ ساختار
B را نشان می دهد نتایج مشابه با نتایج حاصل از
ساختار
A هستند: شکل موج ها به طور قابل توجهی افزایش می
یابد متفاوت در دامنه، ارائه این چنین تفاوتی در محتوای فاز و فرکانس.

این نتیجه
گیری به دست آمده از مورد قبلی را در رابطه با ضرورت شامل وابستگی فرکانس و غیر
یکنواختی عمودی است

پارامترهای
هادی ها برای جلوگیری از اوور ولتاژهای کم ارزش در ساختار گره ها عمودی است.

شکل ۸٫ جریان
های گذرا در شاخه های مختلف ساختار
B

 

جدول ۳٫
حداکثر مقدار فعلی در شاخه های مختلف ساختار
B.

شکل ۹: تفاوت
نسبی بین نتایج شبیه سازی و اندازه گیری های تجربی برای

ساختار B.

شکل ۱۰٫ ولتاژ
گذرا در گره های ۱ تا ۴ ساختار
B.

۱-۵-   
. نتیجه گیری

مدل سازی سازه
های فلزی برای حفاظت از رعد و برق ساختمان ها،در این کار توصیف و ارزیابی شده است.
مدل پیشنهادی بر اساس اجزای افقی و عمودی ساختارها با استفاده از انتقال خطوط در
دامنه فرکانس نمایندگی است.

با استفاده از
دو مورد آزمون، نشان داده شده است که مدل پیشنهادی،نتایج خوب با توجه به اندازه
گیری های آزمایشی، حفظ نسبی اختلاف کمتر از ۱۰
٪ برای
تمام شاخه های ساختمانی و متوسط
​​نسبی
است.تفاوت کمتر از ۵
٪ بسیار زیاد است.

هر دو مورد
آزمون نیز با استفاده از نرم افزار حرفه ای
PSCAD /EMTDC با توجه به نتایج، جریانهایی که در طول ساختار جریان می یابند می توانند
با این ابزار نرم افزاری با دقت خوب محاسبه می شود. این به خاطر این واقعیت است که

اختلاف
پتانسیل بین گره های ترمینال هر هادی نیز محاسبه شده است دقت شود با این حال، بیش
از حد در گره های مختلف از ساختار به طور قابل ملاحظه ای دست کم گرفته شده است.
دلیل این امر این است که
PSCAD / EMTDC شامل مدل های دقیق از هادی عمودی نمیشود. بنابراین، آنها باید
تقریب آمیز باشند با استفاده از نمایندگان ساده
Bergeron، که فرکانس وابستگی و غیر یکنواختی پارامترهای الکتریکی آنها را
در نظر نمی گیرند.مدل دامنه فرکانس پیشنهاد شده در اینجا می تواند به عنوان یک
ابزار مستقل برای استفاده مورد استفاده قرار گیرد .محاسبه دقیق پاسخ گذرا از
ساختار حفاظت از رعد و برق ساختمان ها یا راه حل های پایه ای برای اجرای آینده مدل
های دامنه زمانی با استفاده از ابزارهای تجاری تجاری.استفاده از روش های عددی بر
اساس تجزیه و تحلیل میدان الکترومغناطیسی،مانند
FDTD یا FEM، ممکن است پیش بینی دقیقتر از محیط الکترومغناطیسی در LPS را بدست بدهد، اما همچنین نیاز به منابع و زمان اجرای بزرگتری
برای ساخت هر مورد تنظیم از روش ارائه شده در این مقاله  دارد.

ایده مدل
پیشنهادی یک روش ساده، امکان پذیر و سریع برای تجزیه و تحلیل میدان الکترومغناطیسی
است که

دقت کافی برای
اهداف عملی فراهم می کند.



 

References

[۱]A. SowaLightning overvoltages in wires within the
buildings
International Symposium on Electromagnetic
Compatibility, Cherry Hill, NJ, USA, 12–۱۶ August(1991), pp. 99-102

[۲] N. Fallah, C. Gomes, M.Z.A.A. KadirLightning
protection techniques for Roof-Top PV systems
International Power
Engineering and Optimization Conference (PEOCO 2013), Langkawi, Malaysia,
۳–۴ June (2013), pp. 417-421

[۳] A. SowaSurge current distribution in building during
a direct lightning stroke
International Symposium on Electromagnetic
Compatibility, Cherry Hill, NJ, USA, 12–۱۶ August(1991), pp. 103-105

[۴]S. Wang, J. He, B. Zhang, R. ZengTime-domain
simulation of small thin-wire structures above and buried in lossy ground using
generalized modified mesh current method
IEEE Trans. Power
Deliv., 26 (1) (2011) pp. 369, 377

[۵] J. Kato, H. Kawano, T. Tominaga, S. KuramotoInvestigation
of lightning surge current induced in reinforced concrete buildings by direct

International Symposium on Electromagnetic Compatibility, Montreal,
Canada, 13–۱۷ August(2001), pp. 1009-1014

[۶]G. Maslowski, S. Wyderka, R. Ziemba, G. Karnas, K. Filik, L. KarpinskiSurge
current distribution in the lightning protection system of a test house
equipped in electrical and electronic appliances, 2014
International
Conference on Lightning Protection (ICLP), Shanghai, China, 11–۱۸
October (2014), pp. 238-241

[۷]L. Li, V.A. RakovDistribution of currents
in the lightning protective system of a residential building-part II: numerical
modeling
IEEE Trans. Power Deliv., 23 (October
(۴)) (2008), pp. 2447-2455

[۸]V. Hegde, V. ShivanandOn the
characteristics of lightning currents in the steel reinforced concrete building
due to a lightning strike
Asia-Pacific Symposium on Electromagnetic
Compatibility (APEMC), Singapore, 21–۲۴ May(2012), pp. 865-868

[۹]R. MarkowskaLightning current distributions in LPS of
a building with a radio base station on the roof
International
Symposium on Electromagnetic Compatibility, Kyoto, Japan, 20–۲۴
July (2009), pp. 845-847

[۱۰] S. Miyazaki, M. IshiiRole of steel
frames of buildings for mitigation of lightning-induced magnetic fields

IEEE Trans. Electromagn. Compat., 50 (May (2)) (2008),
pp. 333-339

[۱۱] M. Ishii, K. Miyabe, A. TatematsuInduced
voltages and currents on electrical wirings in building directly hit by
lightning
Electr. Power Syst. Res., 85 (2012), pp. 2-6

[۱۲] J. Chen, B. Zhou, F. Zhao, S. QiuFinite-difference
time-domain analysis of the electromagnetic environment in a reinforced
concrete structure when struck by lightning
IEEE Trans. Electromagn.
Compat., 52 (November (4)) (2010), pp. 914-920

[۱۳] A. Tatematsu, F. Rachidi, M. RubinsteinCalculation
of electromagnetic fields inside a building with layered reinforcing bar struck
by lightning using the FDTD method
International Symposium on
Electromagnetic Compatibility, Tokyo, Japan, 12–۱۶ May (2014),
pp. 386-389

[۱۴] Y. Du, B. Li, M. ChenLightning-induced
surges in building electrical systems
International Conference on
Lightning Protection (ICLP 2014), Shanghai, China, 11–۱۸ October(2014),
pp. 1217-1222

[۱۵] R. Liu, Y. Wang, Z. Zhao, Y. ZhangTransient
phenomena at point of strike for lightning strokes to concrete wall of building
structures
International Conference on Lightning Protection (ICLP
۲۰۱۴), Shanghai, China, 11–۱۸ October(2014), pp. 1716-1719

[۱۶]R. Liu, Y. Wang, Z. Zhao, Y. ZhangMagnetic
field distribution inside metallic grid-like buildings struck by lightning
based on finite element method
International Conference on Lightning
Protection (ICLP 2014), Shanghai, China, 11–۱۸ October(2014),
pp. 1712-1715

[۱۷] J.A. Gutierrez, P. Moreno, J.L. Naredo, J.L. Bermudez, M. Paolone, C.A. Nucci, F. RachidiNonuniform
transmission tower model for lightning transient studies
IEEE Trans.
Power Deliv., 19 (April (2)) (2004), pp. 490-496

[۱۸]
P. Gómez, F.A. UribeThe
numerical Laplace transform: an accurate tool for analyzing electromagnetic
transients on power system devices
Int. J. Electr. Power Energy
Syst., 31 (February–March (2–۳)) (2009), pp. 116-123

[۱۹]
J.A. Martinez-Velasco, A.I. Ramirez, M. Davila
J.A. Martinez-Velasco (Ed.), Overhead Lines in Power System
Transients: Parameter Determination, CRC Press, Boca Raton,
FL (2009), pp. 23-28 Chapter 2

[۲۰] C. GaryApproche Complete de la propagation
multifilaire en haute frequence par utilization des matrices complexes

EdF Bulletin de la Direction des Etudes et Recherches (3/4) (1976),
pp. 5-20 ser. B

[۲۱]
A. Deri, G. Tevan, A. Semlyen, A. CastanheiraThe complex ground return plane a
simplified model for homogeneous and multi-layer earth return

IEEE Trans. Power Apparatus Syst., PAS-100 (August (8)) (1981),
pp. 3686-3693

[۲۲]
P. Gómez, P. Moreno, J.L. NaredoFrequency domain transient analysis of
non-uniform lines with incident field excitation
IEEE Trans.
Power Deliv., 20 (July (3)) (2005), pp. 2273-2280

[۲۳]P. Gómez, J.C. EscamillaFrequency domain modeling of nonuniform
multiconductor lines excited by indirect lightning
Int. J.
Electr. Power Energy Syst., 45 (February (1)) (2013),
pp. 420-426

[۲۴]
J.A. Martinez-Velasco, A. Ramirez, M. Davila
J.A. Martinez-Velasco (Ed.), Overhead Lines in Power System
Transients: Parameter Determination, CRC Press, Boca Raton,
FL (2009), pp. 17-135

[۲۵]A. Morched, B. Gustavsen, M. TartibiA universal model for accurate
calculation of electromagnetic transients on overhead lines and underground cables

IEEE Trans. Power Deliv., 14 (July (3)) (1999),
pp. 1032-1037

[۲۶]L. BergeronWater Hammer in Hydraulics and Waves
Surge in Electricity
John Wiley, NY (1961)

[۲۷]T. Hara, O. Yamamoto, M. Hayashi, C. UenosonoEmpirical formulas of surge impedance
for single and multiple vertical cylinder
Trans. IEE Jpn.
E, 110-B (February (2)) (1990), pp. 129-136

[۲۸]A. Ametani, Y. Kasai, J. Sawada, A. Mochizuki, T. YamadaFrequency-dependent impedance of
vertical conductors and a multiconductor tower model
IEE Proc.
Gener. Transm. Distrib., 141 (July (4)) (1994), pp. 339-345

[۲۹]P. GómezDefinition of a new formula for the characteristic
impedance of vertical conductors for lightning transients

International Conference on Power Systems Transients (IPST 2015), Cavtat,
Croatia, June (2015)

 

[۱۹]

 

 

  • softmec
  • هیچ
  • 25 بازدید
  • 11 آوریل 22
محصولات مرتبط

دیدگاهی بنویسید.

0