報告書番号

GD24009

タイトル（和文）

雷電磁パルスの影響を考慮可能な回路解析ツールLiCATの変電所雷サージ解析への適用

タイトル（英文）

Application of a LEMP Incorporated Circuit Analysis Tool LiCAT to Lightning Surge Analysis of a Substation

概要 （図表や脚注は「報告書全文」に掲載しております）

背　　景
変電所の耐雷設計では，送電線への雷撃により発生し変電所へ侵入する雷サージ（以下，侵入雷サージ）が回路解析に基づき計算され，各種機器や母線に生ずる雷過電圧が評価される[1]。この解析では雷撃に伴う雷電流により生ずる雷電磁パルス（Lightning electromagnetic pulse, LEMP）の影響注1は考慮されないが，これまでに変電所での実測や数値電磁界解析注2により，侵入雷サージにLEMPが影響を及ぼし得ることが示されてきた注3。一方，当所では近年，従来から変電所の耐雷設計に用いられる回路解析において，LEMPの影響を考慮し得る雷サージ解析ツールLiCATを開発している[2]注4。数値電磁界解析に比べ計算効率の高いLiCATは，変電所の耐雷設計での活用が期待できる。
目　　的
LiCATを77 kV 気中絶縁変電所の雷サージ解析に適用し，侵入雷サージに対するLEMPの影響を評価する。
主な成果
1. 変電所侵入雷サージに対するLEMPの影響の評価
LiCAT，従来の回路解析（以下，従来法），VSTL REV注5に基づく数値電磁界解析により，第3鉄塔雷撃を想定した雷サージ解析を実施した（図1）。
LiCATおよびVSTL REVでは同程度の雷電流波高値（−38 kA, −35 kA）により，類似した雷撃鉄塔の逆フラッシオーバ（Back-flashover, BFO）様相および変圧器の雷サージ電圧が得られ，LiCATの妥当性が確認できた（図2）注6。変圧器では初期にLEMPによる正極性の誘導電圧が生じ，続けてBFOによる負極性の雷過電圧が発生する（図2 (b)）。一方，LEMPの影響が考慮されない従来法では，BFOの発生に他2手法と比べ大きな雷電流波高値（−66 kA）を要する（図2 (a)）。また，変圧器ではBFOによる負極性の雷過電圧が生ずるのみであり，その最大値は他2手法と比べやや大きい（図2 (b)）。
以上よりLEMPは，雷撃鉄塔のBFOを生じやすくさせ，変圧器において初期に正極性の誘導電圧を発生させると共に，BFOに起因し変圧器に生ずる負極性の雷過電圧を低下させることが分かった。
2. LiCATによる変電所侵入雷サージの統計計算[3]の試行
第1鉄塔雷撃を想定し，雷電流波高値・波頭長を変化させた多数回の解析を実施した。上記のLEMPによる正極性の誘導電圧の影響により，BFOの発生はLiCATの方が多い一方，変圧器のLIWV 400 kVを超過する電圧の発生は従来法の方が多い（図3）。これより，LiCATは侵入雷サージの統計計算に適用でき，加えて，LEMP影響の評価は変電所耐雷設計の合理化に資する検討項目の一つであることが分かった。

注1）LEMPは送電線や配電線などの架空線に誘導電圧を発生させる。
注2）数値電磁界解析では，LEMPの影響を考慮した精緻な雷サージ解析が実施できる。ただし，一般に数値電磁界解析は回路解析と比べ，複雑なモデリングや多大な計算機資源，長い計算時間を要する。
注3）変電所での雷サージ波形の実測結果は例えば植田他，電学論B，Vol. 114，No.4，pp. 45–52，1996等で，侵入雷サージの数値電磁界解析は例えばTatematsu and Ueda, IEEE TEMC, Vol. 58, No. 5, pp. 1549–1560, 2016等で示されている。
注4）LiCATはLightning channel and Line topology considered Circuit Analysis Toolの略。LiCATの送電線雷サージ解析への適用は，Yamanaka et al. IEEE TPWRD, Vol. 39, No.3, pp. 1918–1930, 2024で示されている。
注5）Virtual Surge Test Lab. Restructured and Extended Versionの略。数値電磁界解析手法の一種であるFinite Difference Time Domain法に基づく，当所開発のサージ・過渡電磁界現象解析プログラム。
注6）Intel Core i5-10400 (6コア，クロック周波数2.9 GHz) のCPUを有する一般的なデスクトップPCを使用した場合，1ケース当たりの計算時間は，LiCATが136秒，VSTL REVが約231時間であった。

概要 （英文）

This report presents a lightning surge analysis of a substation, considering the effect of lightning electromagnetic pulse (LEMP). Although the effect of LEMP has not been considered in an electromagnetic transient (EMT) analysis-based lightning protection design of substations, the analysis presented in this report reveals that LEMP significantly impacts lightning surges incoming to a substation generated by lightning strikes to the top of transmission towers. According to the analysis, which considers the effect of LEMP and is performed using the finite-difference time-domain method for solving Maxwell's equations, LEMP induces a voltage with a polarity opposite to that generated by the lightning current at first; this induced voltage can even cause the operation of surge arresters equipped at the substation entrance. Subsequently, the voltage generated by the back-flashover at the lightning-struck tower arrives at the substation. It also has been confirmed that an EMT analysis method that considers the effect of LEMP, performed using Lightning channel and Line topology considered Circuit Analysis Tool, LiCAT, can accurately analyze these lightning overvoltages incoming to a substation. We applied LiCAT to statistical assessment of incoming lightning surges, and the results suggest that the LEMP effect could reduce the possibility of lightning outages of substation equipment. Further study will be performed using LiCAT, considering the effect of LEMP, taking advantage of its high-speed calculation and high accuracy.

報告者

キーワード