مدلسازي جامع سيستم زمين جهت تحليل رفتار گذراي آن در مقابل ضربات صاعقه

Comprehensive Modeling of Transient Analysis of Grounding System under Lightning Surges

در هنگام تخليه‌ي صاعقه، رفتار گذراي سيستم زمين تحت تاثير رفتار غيرخطي وابسته به زمان ناشي از يونيزاسيون و اثرات وابسته به فركانس پارامترهاي الكتريكي خاك ناشي از طيف فركانسي بالاي جريان صاعقه مي-باشد. در اين مقاله، براي مدل‌سازي سيستم زمين، از يك روش جديد مبتني بر تركيب روش ممان (MOM) و روش تعادل هارمونيكي (HBM) استفاده شده است. بطوريكه جهت افزايش دقت، پديده يونيزاسيون خاك در حوزه زمان و وابستگي فركانسي پارامترهاي الكتريكي خاك درحوزه فركانس، به صورت همزمان در مدلسازي لحاظ شده است. در روش پيشنهادي ابتدا با تحليل سيستم زمين با استفاده از حل معادلات انتگرالي به روش ممان، بدون درنظر گرفتن يونيزاسيون خاك و با لحاظ كردن وابستگي فركانسي پارامترهاي الكتريكي خاك، مدار معادلي از نوع نورتن در حوزه فركانس استخراج مي‌شود. سپس، با لحاظ نمودن بار غيرخطي ناشي از يونيزاسيون خاك به مدار معادل نورتن منتجه، سيستم زمين به مدار معادل نورتن غيرخطي تبديل مي‌شود. جهت تحليل مدار معادل غيرخطي استخراجي، از روش تعادل هارمونيكي (HBM) استفاده مي‌گردد. براي بررسي عملكرد مدل پيشنهادي، نتايج حاصل از مدلسازي سيستم زمين به روش پيشنهادي با داده‌هاي حاصل از اندازه‌گيري عملي مقايسه و صحت سنجي شده است كه نتايج حاصله، كارايي و دقت بالاي روش پيشنهادي را نشان مي‌دهد.

During lightning discharge, the transient performance of grounding system is influenced by the time-dependent nonlinear behavior related to soil ionization and frequency dependence of soil electrical parameters related to high-frequency spectrum of lightning current. In this paper, for the modeling of grounding system, a new approach based on the combination of the method of moment (MoM) and the harmonic balance method (HBM) has been used. In order to increase the accuracy, the phenomenon of soil ionization in the time domain and the effects of frequency dependence of soil electrical parameters in the frequency domain are considered simultaneously in the modeling. In the presented method, first by analyzing the ground system through solving integral equations with the method of moment (MoM), a Norton’s equivalent circuit is extracted in frequency domain assuming frequency dependent of soil electrical parameters. At this stage, the equivalent circuit is extracted in the absence of soil ionization. Then, by adding the nonlinear load arising from soil ionization to the Norton’s equivalent circuit, the grounding system is changed into a nonlinear Norton’s equivalent circuit. To analyze the obtained nonlinear circuit, the harmonic balance method (HBM) is used. The proposed model is validated by comparing our data with published experimental results. The obtained results confirm efficiency and accuracy of the proposed method.