報告書番号

H17005

タイトル（和文）

サージ・過渡電磁界現象解析プログラム VSTL REV の開発－FDTD法に基づくVSTL REV の開発と電力主要設備の雷・開閉サージ解析への適用－

タイトル（英文）

Development of a surge and electromagnetic transient simulation code VSTL REV - Development of VSTL REV based on the finite difference time domain method and its application to the lightning and switching surge analyses of primary power equipment -

概要 （図表や脚注は「報告書全文」に掲載しております）

背 景
電力設備において，雷などに起因してサージ・電磁ノイズ（過渡電磁界）が発生し，障害を引き起こすことがある。障害の発生を防ぐためには，サージ・過渡電磁界現象を高精度に予測し，各種対策手法の効果を評価した上で，合理的な対策を実施することが重要となる。従来より，サージ現象の予測には回路理論に基づく計算手法が広く適用されてきたが，これらの計算手法では，鉄塔，接地網などの三次元的な地上・地下構造物のサージ現象を厳密にモデル化することができない。このため，当所では，数値電磁界解析手法（FDTD 注1 法）に着目し，FDTD 法に基づくサージ・過渡電磁界現象解析プログラム VSTL REV注2 の開発を進めるとともに，電力設備における主要な設備を対象とした雷・開閉サージ解析に適用してきた。
目 的
FDTD 法に基づくサージ・過渡電磁界現象解析プログラム VSTL REV を開発し，雷・開閉サージ解析に適用して，実測結果等との対比により計算結果の妥当性を検証する。
主な成果
1. FDTD 法に基づくサージ・過渡電磁界現象解析プログラム VSTL REV の開発FDTD 法をサージ・過渡電磁界現象の解析に適用するために，(i) 電線の周波数特性を有する導体内部インピーダンス（表皮効果）[1]，(ii) 帰還雷撃電流の伝搬速度を制御可能な雷放電路[2]，(iii) 電流－電圧特性を詳細に考慮可能な避雷器[3]，(iv) 回路解析のために開発されたアークホーンフラッシオーバモデル[4]，注3，(v) ギャップ付送電用避雷装置注3，(vi) シース電流に起因する誘導サージ現象を考慮可能な同軸ケーブル[1], [5]，(vii) 相導体に印加された交流電圧の影響注3，を模擬する計算手法を開発した。さらに，開発した計算手法に基づき，サージ・過渡電磁界現象解析プログラム VSTL REVを開発した（図1）。
2. VSTL REV の雷・開閉サージ解析への適用
これまで，VSTL REV を用いて，(i) 接地構造物の過渡電位上昇特性[6]，(ii) 近傍鉄塔雷撃時における変電所侵入雷サージ特性注3（図2），(iii) 直撃雷，近傍雷に対する建物内侵入電磁界特性[7], [8]，(iv) 無線鉄塔雷撃時における無線中継所の雷サージ電流特性注4，(v) 近傍雷撃時における配電線誘導雷サージ特性[2], [3]，(vi) 500 kV 気中絶縁変電所における断路器開閉サージに起因する停止回線誘導サージ特性注5，の解析を実施し，実測結果等との対比により，計算結果の妥当性を検証した。
以上により，FDTD 法に基づくサージ・過渡電磁界現象解析プログラム VSTL REV を開発し，電力設備における主要な設備を対象とした雷・開閉サージ解析に適用できることを明らかとした。

概要 （英文）

The prediction of surge phenomena is required for designing effective lightning protection methodologies. Recently, full-wave numerical approaches such as the finite-difference time-domain (FDTD) method, which solve Maxwell's equations numerically and do not require the assumption of the transverse electromagnetic (TEM) mode, have become effective tools for analyzing surge phenomena in three-dimensional structures and grounding structures. Among the full-wave numerical approaches, the FDTD method presents a number of advantages in the capability of handling inhomogeneous electrical parameters of the soil and non-flat ground surfaces such as mountains and incorporating nonlinear phenomena such as the nonlinear characteristics of surge arresters in a more straightforward manner. To apply the FDTD method to surge analysis, we have proposed several techniques for representing thin wires, lightning surge arresters, arcing-horn flashover models, and so forth. Using these techniques, we have developed a surge and electromagnetic simulation code based on the FDTD method, Virtual Surge Test Lab. Restructured and Extended Version (VSTL REV) and applied this code to the surge analyses of transmission lines, substatsion, distribution lines, microwave relay stations, and buildings.

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