報告書番号

GD25009

タイトル（和文）

雷電磁パルスの影響を考慮した雷サージ解析用送電鉄塔モデルの開発

タイトル（英文）

Development of a Transmission Tower Model for Lightning Surge Analysis Considering the LEMP Impact

概要 （図表や脚注は「報告書全文」に掲載しております）

背　　景
送電線への雷撃は遮断器のトリップや供給支障事故を発生させ得るため，送電線に生ずる雷サージを予測し，適切な耐雷設計を施すことが重要である。送電線の雷サージ解析には主に数値回路解析注1が用いられてきた。本手法では解析対象を電気回路モデルで模擬し，送電線に流入する雷電流により発生する雷サージを計算する。一方，当所では近年，FDTD法注2による数値電磁界解析を用い，雷電流に加え雷放電路から発生する電磁界である雷電磁パルス（LEMP注3）が架空線雷撃時に生ずる雷サージに大きな影響を及ぼす場合があることを明らかにした[1]注4 。さらに，電力設備の耐雷設計で用いられる数値回路解析においてLEMPの影響を考慮できる解析プログラムLiCATを開発し，配電線や変電所の雷サージ解析に適用してきた[2], [3]。送電線への雷撃の解析には送電鉄塔モデルが必要であるが，既存のモデルは従来の数値回路解析で用いるために開発されており，LEMPの影響を考慮した数値回路解析には適さない注5。このため，LEMPの影響を考慮した数値回路解析に適した，新たな送電鉄塔モデルの開発が必要である。
目　　的
LEMPの影響を考慮した雷サージの数値回路解析に適した，新たな送電鉄塔モデルを開発する。
主な成果
1. LEMPの影響を考慮した雷サージ解析に適した送電鉄塔モデルの開発
LEMPの影響を考慮した雷サージ解析に適した，新たな送電鉄塔モデルを開発した（図1）。本モデルは従来の数値回路解析で用いられる4段鉄塔モデルの回路構成を踏襲する一方，サージインピーダンスは鉄塔高および塔体の幅を考慮した値とし，雷撃鉄塔の頂部に静電容量を接続する注6。本モデルの全ての回路パラメータは送電鉄塔の諸元から簡易に算出でき，幅広い電圧階級の送電鉄塔に適用可能な汎用性の高いモデルである。
2. FDTD法を用いた雷サージ解析結果との比較による開発モデルの妥当性の確認
開発した送電鉄塔モデルをLiCATで用い，500 kV–66 kV鉄塔に対する雷撃の解析を実施した。500 kV鉄塔の解析結果を図2注7に例示する。開発モデルによる解析結果は，特に逆フラッシオーバの発生に重要となるアークホーン間電圧の波頭部において，第一雷撃および雷電流波形の立ち上がりが急峻な後続雷撃のいずれに対しても，本報告書でリファレンスとしたFDTD法による解析結果とよく一致した。径間の架空地線への雷撃も図2に示すものと同様に，FDTD法とよく一致する解析結果が得られた。
開発した送電鉄塔モデルは，LEMPの影響を考慮した数値回路解析に基づく送電線の雷サージ解析に活用できる。

概要 （英文）

Lightning strikes on transmission lines can cause back-flashovers, leading to disturbances in electric power transmission. Accurate estimation of lightning overvoltages and the development of rational countermeasures are therefore essential. In this study, we propose a new transmission tower model for electromagnetic transient (EMT) analysis that accounts for the effect of lightning electromagnetic pulses (LEMP). The proposed model is based on the multistory tower model, but its surge impedance is determined using Jordan's formula considering tower geometry. In addition, a stray capacitance is introduced at the top of the tower struck by lightning to simulate the gradual rise in tower surge impedance during a lightning strike. All parameters of the proposed model can be readily calculated from the tower geometry. Using three-dimensional numerical electromagnetic analysis with the finite-difference time-domain (FDTD) method as a reference, EMT simulations using the proposed model were validated to produce sufficiently accurate arc-horn voltages for towers of various heights and voltage classes. The proposed model provides a practical basis for further studies on lightning protection design of transmission systems.

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