李曉晨，陳昌雷

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司技術(shù)技能培訓(xùn)中心，長沙 410000；2.國網(wǎng)湖南省電力公司檢修公司，長沙 410000)

基于電磁暫態(tài)仿真軟件雷電過電壓仿真誤差研究

李曉晨1，陳昌雷2

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司技術(shù)技能培訓(xùn)中心，長沙 410000；2.國網(wǎng)湖南省電力公司檢修公司，長沙 410000)

電磁暫態(tài)仿真軟件(ATP-EMTP)是電力系統(tǒng)用于雷電暫態(tài)過電壓仿真的主要軟件，主要運用于電力系統(tǒng)的初步防雷保護(hù)設(shè)計以及對現(xiàn)有防雷措施進(jìn)行改造研究。仿真結(jié)果的精確性直接關(guān)系到整個防雷保護(hù)設(shè)計以及改造的成效，因此對仿真軟件的精確性研究至關(guān)重要。主要采用目前雷擊輸電線路仿真電路模型，對雷電流模型輸出以及雷擊點電流進(jìn)行檢測，同時對比計算出雷電流模型設(shè)置參數(shù)為3 kA以及雷擊點作用電流3 kA兩種情況下四點過電壓的誤差率。仿真實驗結(jié)果得出了雷電流電源模型與實際作用電流的誤差率，同時得到該雷電流誤差率導(dǎo)致的各點過電壓誤差率。通過對仿真軟件誤差研究，不僅為提高雷電過電壓仿真精確性提供了相應(yīng)的參考意義，同時保證了電力系統(tǒng)的耐雷水平，降低了雷擊跳閘率，提高電力系統(tǒng)的供電可靠性。

ATP-EMTP；防雷保護(hù)；雷電流；電壓誤差率；雷擊跳閘率

雷電過電壓一直是影響電力系統(tǒng)供電可靠性的最主要威脅之一，無論是對于輸配電線路還是對于變配電站，雷電是產(chǎn)生事故的主要原因。因此對于雷電過電壓的防護(hù)和治理都是電力系統(tǒng)不可懈怠的工作，目前大部分電力工作者在研究雷電過電壓時都采用電磁暫態(tài)仿真軟件(ATP-EMTP)對雷電過電壓進(jìn)行仿真[1]。一旦發(fā)生雷擊事故，雷電過電壓對電力系統(tǒng)的影響較大，因此有必要對雷電仿真軟件進(jìn)行準(zhǔn)確性分析和研究。

1 ATP-EMTP仿真軟件雷電過電壓模型介紹

對于雷電過電壓仿真主要采用的是雷電直擊輸電線路，在輸電線路上產(chǎn)生雷電過電壓，由于輸電線路中的桿塔對于雷電流的泄流存在一定的時間特性，因此絕大多數(shù)的雷電流過電壓會經(jīng)過輸電線路的傳播對其他設(shè)備(變壓器、變配電站低高、壓設(shè)備)造成損害。目前用的比較多的是模擬雷擊三相帶地線的輸電線路中的一相或多項，搭建的仿真電路如圖1所示。

圖1 雷電仿真電路

整個模擬電路模擬的是雷電直擊三相輸電線路的B相，然后對輸電線路上產(chǎn)生的雷電過電壓進(jìn)行檢測，得出相應(yīng)的雷電過電壓特性。圖中的雷電流采用的是ATP仿真軟件中自帶的Heidler沖擊波電源(Heidler type 15)，對于模擬雷電流的設(shè)置主要根據(jù)仿真的實際需要，雷電流幅值可以從幾千安到幾千千安[1-2]。對于雷電流的波頭以及半波設(shè)置都一樣(取波頭時間為4E-6，半波時間為5E-5)，雷電在發(fā)生時因為雷電本身的特性以及發(fā)生雷擊環(huán)境的不同會導(dǎo)致雷擊時雷電流的幅值不同。而雷電流發(fā)生時無論雷電流的幅值如何變化，對于雷電流波頭時間和半波時間都是雷電的固有性質(zhì)，不會因為幅值以及發(fā)生雷擊的環(huán)境不同而改變。由于雷電在直擊輸電線路之前，其產(chǎn)生的雷電通過存在一定的阻抗，因此在仿真電路的設(shè)置時選擇設(shè)置雷電通過波阻抗，一般都選取波阻抗為400 Ω[3-4]。

前面主要介紹了雷電模擬電路的電源部分，對于輸電線路的搭建主要有兩種形式，一種是三相輸電線路，另外一種是單相輸電線路。用的比較多的主要是三相輸電線路。圖1中采用的是三相輸電線路的模擬電路，圖中輸電線路采用的是LCC集中參數(shù)等效模型。在LCC模型中有三種輸電線路的模型(Overhead line架空輸電線、Single Core Cable單芯電纜以及Enclosing Pipe封閉管)，基于輸電線路仿真電路的模擬，在仿真電路搭建時根據(jù)不同的需要選擇不同的模型。雷擊輸電線路則應(yīng)該采用Overhead line架空輸電線，大地電導(dǎo)率取500 S/m，桿塔線路的長度根據(jù)實際情況選擇，在雷電仿真中一般選擇0.2 km，在選擇整個LCC模型單位時采用中國的公尺(即在Units中選擇Metric選項)。同時選用PI(π型等效模型)，同時考慮肌膚效應(yīng)選擇Skin effect[1，3，5]。

圖1中桿塔的LCC集中參數(shù)模型帶有地線，由于地線對地存在一定的電感電容效應(yīng)，因此在地線對地上采用接地阻抗模型。由于每一級桿塔都存在一定的對地阻抗模型，因此在每一級桿塔之后都添加一組對地阻抗模型。

2 ATP-EMTP仿真軟件模型存在問題分析

前面介紹了目前對于雷電過電壓ATP仿真電路模型，由于電力工作者在采用ATP仿真軟件進(jìn)行仿真時都是根據(jù)實際情況對電路中的模型設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)，認(rèn)定設(shè)定的參數(shù)即為仿真的實際值，為了探究設(shè)置的參數(shù)是否為作用值，因此本節(jié)采用仿真電路對其進(jìn)行驗證和研究以及分析其存在的問題。主要問題分析仿真搭建的電路模型如圖2所示。

該仿真電路模型相對于以前的輸電線路模型增加了變壓器模型，同時在變壓器兩端采用高低壓側(cè)避雷器保護(hù)。采用變壓器模型是為了模擬雷電過電壓在變壓器(變壓器是變配電站的代表，也是配變站劃分一次和二次的中間電氣設(shè)備)。因為早雷擊概率中最高的是雷擊輸電線路，但是雷擊輸電線路故障發(fā)生后不僅在輸電線路上會產(chǎn)生很高的過電壓，同時由于雷電過電壓的波過程將沿著輸電線路傳遞到終端桿塔上，經(jīng)過終端桿塔襲擊配變電站變壓器以及站內(nèi)相應(yīng)的電氣設(shè)備[5-6]，因此對于變壓器高低壓側(cè)過電壓檢測至關(guān)重要。

對于ATP仿真軟件自身問題研究主要是從雷電流以及雷電過電壓的準(zhǔn)確性兩個方面進(jìn)行研究。分別研究ATP仿真軟件搭建的電路模型在雷電流以及雷電過電壓的誤差分析。

2.1 雷電流誤差分析研究

在以前的仿真電路模型中設(shè)置雷電流主要是從低的幾千安高到幾千千安，設(shè)置的參數(shù)直接雷擊輸電線路，但是沒有去確定是否發(fā)生真正的雷擊電流是否達(dá)到設(shè)定值。為了對該雷擊雷電流進(jìn)行準(zhǔn)確性研究，在該仿真電路中以雷擊3 kA的雷電流，首先對其雷電流發(fā)生模型的雷電流輸出進(jìn)行檢測，檢測的結(jié)果如圖3所示。

從圖3中可以看到，經(jīng)過雷電流發(fā)生模型Heidler type 15發(fā)出的雷電流幅值剛好是3 kA，因此對于雷電流發(fā)生模型Heidler type 15是沒有問題的，精確值達(dá)到設(shè)定值的要求。

圖3 雷電流發(fā)生模型電流波形

雷電流發(fā)生模型Heidler type 15發(fā)生的雷電流幅值達(dá)到精確性要求，但是不能保證雷擊點雷電流大小達(dá)到設(shè)定的值。接下來對雷擊點雷電流準(zhǔn)確性進(jìn)行研究和分析。采用同樣的方法對雷擊點雷電流進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果如圖4所示。

圖4 雷擊點雷電流波形

由圖4可以得出，設(shè)置參數(shù)為3.0 kA，但是在雷擊點雷電流的幅值只能達(dá)到2.2 kA,相對于設(shè)置值3 kA來說降低了0.8 kA。按照電路知識中的KCL定律，這0.8 kA電流應(yīng)該在雷電通道波阻抗支路上體現(xiàn)出來，為了對這個進(jìn)行研究，特對雷電通道波阻抗支路電流進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看到，雷電通道阻抗電流幅值達(dá)到1.2 kA，超過0.8 kA的值，因此對于雷電流搭建的模型以及雷電通道波阻抗電流關(guān)系與電路基礎(chǔ)知識的KCL定律不符合。

通過以上仿真研究可知在雷電發(fā)生模型設(shè)置一定值的雷電流不能完全在雷擊點進(jìn)行體現(xiàn)，設(shè)置參數(shù)值為3 kA，但是在雷擊點雷電流幅值只有2.2 kA，雷電流的誤差率為26.7%。

圖5 雷電通道阻抗電流波形

2.2 雷電過電壓誤差分析

由于雷電發(fā)生模型到雷擊點雷電流存在一定的誤差，因此在輸電線路以及配變電站上產(chǎn)生的雷電過電壓同樣將產(chǎn)生相應(yīng)的誤差。為了研究因為雷電流的誤差導(dǎo)致雷電過電壓的差異情況進(jìn)行研究，這一節(jié)將對雷電流發(fā)生模型點的雷電流3 kA以及雷擊點雷電流達(dá)到3 kA兩種情況下對比分析。并定義在雷電發(fā)生模型為3 kA情況下為方案一，在雷擊點電流為3 kA時設(shè)定為方案二。

首先對雷電流發(fā)生模型下雷電流為3 kA情況下進(jìn)行過電壓仿真研究，主要針對雷擊點、輸電線路、以及變壓器高、低壓側(cè)過電壓進(jìn)行仿真研究(分別對這4個點過電壓在雷電發(fā)生模型以及雷擊點分別為3 kA的情況下過電壓差異進(jìn)行分析)。在雷電流雷擊B相時對于雷擊點、輸電線路、以及變壓器高、低壓側(cè)B相過電壓如圖6所示。

圖6是對雷電發(fā)生模型設(shè)置參數(shù)雷電流為3 kA下，雷擊點、輸電線路、以及變壓器高、低壓側(cè)B相過電壓波形。從仿真過電壓波形圖可以看出雷擊點過電壓幅值為481.6 kV，輸電線路過電壓幅值為471.7 kV，變壓器高、低壓側(cè)在有避雷器的保護(hù)下雷電過電壓分別為93.1、3.9 kV。

圖6 方案一下過電壓波形

為了研究雷擊點電壓為3 kA情況下各點過電壓情況，因此首先得設(shè)置雷電發(fā)生模型雷電參數(shù)使得雷擊點雷電流達(dá)到3 kA。因此對雷電參數(shù)進(jìn)行試驗得到，經(jīng)過反復(fù)試驗調(diào)整雷電發(fā)生模型參數(shù)，得到雷擊點輸出3 kA電流。雷電發(fā)生模型參數(shù)以及雷擊點電流對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 對應(yīng)雷電流關(guān)系

表1是為了得到雷擊點對雷電發(fā)生模型參數(shù)進(jìn)行仿真實驗得到的相應(yīng)對比數(shù)據(jù)，從表1數(shù)據(jù)可知，為了得到雷擊點電流值為3 kA，則要設(shè)置雷電發(fā)生模型電流為4 070～4 075 A之間，在這設(shè)置參數(shù)取值為4 073 A(經(jīng)過仿真此時雷擊點電流為2 999.6 A)，根據(jù)這個參數(shù)電流值再對該仿真電路進(jìn)行研究，對四點過電壓進(jìn)行檢測，檢測的結(jié)果如圖7所示。

圖7是對雷擊點參數(shù)雷電流為3 kA下，雷擊點、輸電線路，以及變壓器高、低壓側(cè)B相過電壓波形。從圖7可以看出，雷擊點過電壓幅值為653.8 kV，輸電線路過電壓幅值為640.4 kV，變壓器高、低壓側(cè)在有避雷器的保護(hù)下雷電過電壓分別為96.9 kV以及4.1 kV。

圖7 方案二下過電壓波形

為了方便對比分析，把方案一以及方案二相應(yīng)的雷擊點、輸電線路，以及變壓器高、低壓側(cè)B相過電壓的相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理如表2所示。

表2 各點過電壓誤差

表2是針對方案一與方案二仿真作用下對于雷擊點、輸電線路，以及變壓器高、低壓側(cè)B相過電壓的誤差數(shù)據(jù)。從表2可知，如果在電力仿真中采用值對雷電發(fā)生模型設(shè)置一定的參數(shù)(也就是方案一)，那么得到的過電壓仿真結(jié)果(方案二)將與實際的仿真結(jié)果存在一定的誤差。而且在雷擊點以及輸電線路上過電壓的誤差達(dá)到26.3%，對于變壓器高低壓側(cè)過電壓的誤差率同樣達(dá)到了4%左右。

3 ATP雷電仿真誤差影響分析

整個ATP雷擊過電壓仿真研究存在誤差的原因主要是因為雷電發(fā)生模型Heidler type 15在設(shè)定參數(shù)后，在雷擊點不能完全體現(xiàn)參數(shù)的數(shù)值。而整個誤差體現(xiàn)的形式是以過電壓的誤差率體現(xiàn)，因此主要分析過電壓誤差對于電力系統(tǒng)的影響。

3.1 過電壓誤差對于輸電線路的影響

雷電過電壓誤差對于輸電線路的影響主要是指過電壓對于桿塔的絕緣子產(chǎn)生閃絡(luò)或者絕緣擊穿。在絕緣子設(shè)計時根據(jù)輸電線路的絕緣等級一級絕緣子的絕緣性能進(jìn)行絕緣配合，因此每一條輸電線路上桿塔絕緣子的型號及片數(shù)都是根據(jù)電力規(guī)程以及實驗室沖擊試驗得到[7-8]。因此桿塔上的絕緣子都是存在固定的耐壓值，如果超過一定值則會導(dǎo)致其發(fā)生絕緣閃絡(luò)，嚴(yán)重時將發(fā)生絕緣擊穿，引起絕緣子炸裂，進(jìn)而引起停電事故。

雷電過電壓對輸電線路另外一個影響是對于桿塔的接地，由于桿塔的接地設(shè)計也是根據(jù)電力規(guī)程相應(yīng)的設(shè)計接地電阻的阻值大小。由于雷電流在桿塔處經(jīng)過引下線流入接地電阻，經(jīng)過接地電阻泄入大地。由于泄流存在一定的殘壓，因此在桿塔會存在頂端電壓，雷電流的大小以及桿塔接地電阻的阻值直接影響到頂端電壓的大小。一旦雷電過電壓誤差較大，則會發(fā)生實際頂端電壓過高，在頂端和輸電線路發(fā)生反擊事故[8-9]。

3.2 過電壓誤差對配變電站的影響

雷電過電壓對于配變電站的影響主要是指對站內(nèi)主變變壓器以及站內(nèi)二次設(shè)備影響，對于主變變壓器主要是指雷電波過電壓沿著輸電線路傳播，入侵到主變變壓器，在變壓器高低壓側(cè)產(chǎn)生過電壓，容易發(fā)生繞組絕緣受損甚至擊穿的事故。同時，由于雷電來波特性，在變壓器中性點形成很高的過電壓，很容易發(fā)生中性點對地放電以及中性點絕緣擊穿事故，導(dǎo)致整個變配電站發(fā)生停電事故，影響整個下級供電的供電可靠性。

由于變壓器的電磁感應(yīng)特性，雷電過電壓會經(jīng)過變壓器繞組的電磁變換，傳遞到低壓側(cè)。由于配變電站低壓設(shè)備的絕緣水平比較低，承受不了雷電波過電壓的大小，就容易發(fā)生站內(nèi)開關(guān)、電源、互感器以及其他電力設(shè)備的燒毀，進(jìn)而發(fā)生停電事故。

4 結(jié)語

由于仿真中雷電發(fā)生模型帶有雷電通道波阻抗支路，在雷擊點產(chǎn)生的雷電流幅值并不能達(dá)到設(shè)置的參數(shù)值，誤差率達(dá)到26.7%。

由于雷電流存在誤差，導(dǎo)致雷電過電壓在整個電力系統(tǒng)上體現(xiàn)的過電壓大小也存在一定的誤差，并且在變壓器器高壓側(cè)的過電壓誤差率26.3%，相對于低壓側(cè)4%影響更大。

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(本文編輯：嚴(yán) 加)

Study on ATP-EMTP Lightning Overvoltage Simulation Error

LI Xiaochen1, CHEN Changlei2

(1. Technology Skills Training Centers, State Grid Hunan Electric Power Company, Changsha 410000, China;2. Maintenance Company, Hunan Electric Power Company, Changsha 410000, China)

ATP-EMTP is the main software used for power system lightning transient overvoltage simulation, primarily for power system preliminary lightning protection design, and existing lightning protection measures modification study. The accuracy of the simulation result is directly related to the lightning protection design and transformation efficiency, so the research on the accuracy of the simulation software is crucial. This paper mainly adopts the lightning transmission line simulation circuit model to test the lightning current model output and lightning strike point current, and at the same time comparatively calculate the four-point over-voltage error rate on the condition that the lightning current model parameter is set up as 3 kA and the lightning strike point function current 3 kA. The simulation results define the error rate between the lightning current power model and the actual current, as well as the consequent overvoltage error rate of each point. This research on simulation software error not only provides the corresponding reference for improving the lightning overvoltage simulation accuracy, and also guarantees the lightning resisting capacity of the power system, reduces the lightning trip-out rate, and improves power supply reliability of power system.

ATP-EMTP; lightning protection; lightning current; voltage error rate; lightning strike tripping rate

10.11973/dlyny201703013

國網(wǎng)湖南省電力公司群眾性科技創(chuàng)新項目(5216A3160009)

李曉晨(1983—)女，碩士，講師，研究方向為高電壓防雷與接地技術(shù)，配網(wǎng)運行與控制。

TM862

B

2095-1256(2017)03-0273-05

2016-03-30