非線形現象を考慮した新しい数値電磁界解析法による送配電線路雷サージ電磁界の研究

2000 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 10650292
• Research Institution: Toyo University
• Principal Investigator: 加藤 正平 東洋大学, 工学部, 教授 (80103571)
• Keywords: サージインピーダンス / 雷サージ / 数値電磁界解析 / 非線形現象 / 雷道インピーダンス

Research Abstract

送配電線路システムの事故や故障の原因となる過電圧で現れる避雷器やフラッシオーバの非線形現象を、従来の回路方程式ではなくマックスウェル方程式から求める電磁界で線路サージを解析することを目的とした。これまでの電磁界解析法では線形現象のみを扱ってきたが、放電現象を扱う方法を検討し、シミュレータに機能追加することができた。非線形現象では時々刻々インピーダンスが変化するため、解析時間ステップ毎にシステム方程式を変更する必要が生じ、解析時間が大きく増加する問題があった。放電や避雷器は線路の一部に限定されることに注目し、システム方程式の作成時に最小の変更になるように電流変数の順序付けを自動的に行うアルゴリズムを使用した。これによって非線形素子が線路に存在しても10%程度の計算時間の増加に抑え、適切な計算時間内で雷サージ解析を可能となった。
ストリーマやリーダ、リーターンストロークまで複雑な放電現象である雷撃は非線形現象でもあり、雷サージ解析ではどのようにモデルを作成するかが問題になることを明らかにした。2種類のモデルを検討し、プラズマコアの周りに空間電荷が存在するモデルは電磁界解析法でも容易にプログラム化でき、従来から推定されてきた雷道インピーダンスよりやや高い500Ωのインピーダンスになることも、初めて明らかにした。
さらに雷撃電流を模擬する二重指数関数波を決定するために、従来の図表を使用する方法にかえて、波頭長と波尾長から直接、指数関数パラメータ決定する方法を開発し、雷サージ解析に応用した。本研究による非線形現象を考慮した新しい数値電磁界解析法によって、線路の簡略モデルにおいて、線路の事故で問題となるアークホーン間電圧を電界から直接求めることが可能であることを示した。しかし、数値計算上の不安定性のために、実際の線路に近いモデルの解析は実施できなかった。

Research Products

• [Publications] S.Kato: "Simulation of Electromagnetic Field in Lightning to Tall Tower"11th International High Voltage Symposium.. ,2.59.S4 (1999)
• [Publications] 加藤,滝波,成田,財満: "反復法による二重指数関数インパルス波の決定"電気学会論文誌A. vol.121. 116-121 (2001)