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基于ATP-EMTP仿真模型的变电站防雷研究

来源：知库网

总652期第九期2018年9月

河南科技

HenanScienceandTechnology

能源与化学

基于ATP-EMTP仿真模型的变电站防雷研究

邵昱拜姝羽胡斐然王超

（国网郑州供电公司，河南

郑州450000）

摘要：本文首先建立500kV变电站在雷电波冲击下的仿真模型，再建立绕击雷电波电源模型。将雷电波电

源接于变电站的一条出线，利用ATP-EMTP进行各种情况下的仿真计算，确定作用于各设备的过电压是否超过其过电压耐受水平。

关键词：过电压；ATP-EMTP；接地电阻；避雷器中图分类号：TM63；TM863

文献标识码：A

文章编号：1003-5168（2018）26-0124-03

ResearchonLightningProtectionofSubstationBasedonATP-EMTPSimulationModel

（StateGridZhengzhouElectricPowerCompany，ZhengzhouHenan450000）

SHAOYuBAIShuyuHUFeiranWANGChao

Abstract:Thepapersetasimulationmodelof500kVsubstationunderlightningwaveimpact,andthenestablisheda

lightningstrikewavepowersupplymodel.Thelightningwavepowersourcewasconnectedtooneoutletofthesubsta⁃tion,andtheATP-EMTPwasusedforsimulationcalculationundervariousconditionstodeterminewhethertheover⁃voltageappliedtoeachdeviceexceededitsovervoltagewithstandlevel.Keywords:overvoltage；ATP-EMTP；groundingresistance；arrester本文建立500kV变电站在雷电波冲击下的仿真模型与绕击雷电波电源模型。将雷电波电源接于变电站的一条出线，进行各种情况下的仿真计算。

11.1

变电站耐雷水平仿真计算模型雷电流波形及雷电流幅值

编号#1#2#3#4#5#6表1进线段部分杆塔参数

塔型ZB2ZB1ZB1ZB1JG2DJ呼高/m273627362433档距/m303139493373372雷电流的冲击波头时间为1～4μs，平均冲击时间约为2.6μs，其半波峰值时延为20～50μs，在实际仿真计算中一般采用50μs。本次仿真采用双指数波形，其数学表达式为：

［1］

1.3i=I×e-e

(-αt-βt

)算例中的500kV变电站在每回线路的入口和主变压

（1）

器回路上均安装了金属氧化锌避雷器，阀片放电曲线非常陡，避雷器阀片电阻的非线性可用指数函数表示，其电压电流关系为：

p和q为常数，Uref为参考电压，式中，通常取额定电压。

i=p×(U/Uref)×q

避雷器模型α和β表示时间常数。式中，I表示雷电流幅值（kA），

1.2

本次进线段线路采用EMTP中的LCC线路参数模型，将杆塔按自然尺寸用多段分布参数模拟，按波阻抗考虑。不同形状杆塔的波阻抗和波速不同，我国规程推荐的杆塔波阻抗为150Ω，相应的波速为300m/μs。

［2］

输电线路及杆塔模型

（2）

本次仿真算例的输电线路杆塔参数如表1所示。

1006。500kV母线上也装有避雷器Y20W-420/1006。在

避雷器型号分别为Y20W-444/1063和Y20W-420/

EMTP中，将电压范围分成几段，每段都有自己的指数函

收稿日期：2018-08-05

作者简介：邵昱（1988—），男，硕士，工程师，研究方向：电网运维检修。

数，以分段指数函数模型来模拟［3］。

1.4

绝缘子串模型

基于ATP-EMTP仿真模型的变电站防雷研究

0.0[MV]·125·

当杆塔或输电线路遭受雷击，绝缘子串两端电压超过其伏秒特性相应的电压时，绝缘子串开始发生闪络，绝缘子串两端的电压和伏秒特性分别是时间的函数［4］，在本次仿真计算中，用TACS开关来替代实际的绝缘子串。

1.5

变压器入口电容是绕组单位长度或全部对地电容与纵向电容的几何平均值，其随变压器容量和电压的变化而变化。苏联学者沃里波夫等根据大量测量数据，给

［5］

-0.5-1.0-1.5-2.0-2.501020304050[μs]60其他设备的模拟

图1绝缘子串的闪络电压波形（一）

出了计算入口电容的经验公式：

Ci表示入口电容S表示变压器三相容式中，（pF）；

Ci=KnS

（3）

0.0[MV]-0.5-1.0-1.5-2.0-2.501020304050[μs]60量（MVA）；

压等级，K=940；对500kV系统变压器，一般取Ci=4000～

对于500kV级及以上的电压等级，n=4；对于500kV电

6000pF。断路器、隔离开关、电流互感器及入口电容一般取100～1000pF，电容式电压互感器一般取3000～5000pF［6］。本次500kV敞开式变电站雷电过电压仿真计算中，站内500kV侧一次主设备各入口电容如表2所示。

表2

设备名称隔离开关电流互感器电压互感器主变断路器图2绝缘子串的闪络电压波形（二）

从图1和图2可以看出，当雷电流为29kA时，一号绝缘子未发生闪络；当雷电流为30kA时，一号绝缘子开始闪络。因此，取未发生闪络情况下的最大值，即取雷电流为29kA，进行仿真计算。当雷电流为30kA时，绕击一号杆塔，观察一号出线端处电压互感器的电压波形，通过观察各种情况下的电压波形，分析接地电阻大小与避雷器运行状态对过电压大小及波形的影响。

2.1

接地电阻为2Ω时，9号电压电压互感器波形如图3所示。

1.2[MV]1.00.80.60.40.20.001020304050[μs]60500kV敞开式变电站电气设备入口电容

符号GWTACVTTRQF电容值（pF）3001000500050001000进线端避雷器正常运行

变电站内的母线，连接线等均用单相分布参数线路表示，根据导线的型号、悬挂高度，用EMTP中的线路模型计算出相应的波阻抗和波速［7］。

计算结果分析

图3CVT9的电压波形（一）

接地电阻为5Ω时，9号电压电压互感器波形如图4所示。

1.2[MV]1.00.80.60.40.20.00本次仿真采用绕击一号杆塔，且此时对只运行一条线路的情况进行仿真计算，以观察进线上各种设备的电压大小及绝缘子串的闪络情况。消除因绝缘子串闪络而产生泄漏电流的影响，雷电流幅值应取绝缘子串未闪络情况下的最大值，经仿真计算为30kA。现选取只运行一号出线，将其余4条出线断开。

当雷电流为29kA时，绕击一号杆塔，一号绝缘子串的电压波形如图1所示。

当雷电流为30kA时，绕击一号杆塔，一号绝缘子串的电压波形如图2所示。

10图4CVT9的电压波形（二）

基于ATP-EMTP仿真模型的变电站防雷研究

表4

进线端避雷器运行情况正常运行退出运行CVT911071780第9期

各台设备的电压值

变压器电压值/kV8112一号串补电压值/kV11260三号高抗电压值/kV626981接地电阻为10Ω时，9号电压电压互感器波形如图5所示。

1.2[MV]1.00.80.60.40.20.001020304050[μs]60电压值/kV由表4的计算结果可知，当一号杆塔的接地电阻一定时，避雷器退出运行时的过电压水平比正常运行时高得多，在进线端加装避雷器可有效提高各台设备的耐雷水平，预防超出规程规定的过电压的出现，有效保护各台设备的安全运行［9］。

结论

2.2所示。

[MV]1.61.20.80.40.002.0接地电阻为2Ω时，9号电压电压互感器波形如图6

进线端避雷器退出运行

图5CVT9的电压波形（三）

本次仿真通过改变接地电阻值大小及在进线端加装避雷器得出以下两点结论：①设备的过电压水平随着杆塔接地电阻的增大而增大，接地电阻值越大，各台设备的过电压越高；②在进线端加装避雷器可有效降低各台设备的雷击过电压水平。

改进措施有以下两点。①通过采取各种措施尽量减小各个杆塔的接地电阻，尤其是减小距离变电站较近的杆塔的接地电阻。常用方法有：第一，接地网尽量选在低洼潮湿的地带；第二，尽量增加接地桩的深度和数量；第三，连接接地桩尽量采用宽点的带铁，并尽量埋深点；第四，提高杆塔接地处的土壤盐碱度；第五，在接地极上涂抹防锈、防腐材料。②在各条线路进线端加装氧化锌避雷器，以有效降低整个变电站的过电压水平，在重要设备

10图6

20CVT9的电压波形（四）

304050[μs]60及母线旁加装避雷器，提高保护效果。

参考文献：

［1］孙建领.基于软件仿真法计算提高线路耐雷水平的研究和应用［J］.制造业自动化，2010（11）：132-137.

［2］裴浩.基于ATP-EMTP的输电线路雷电过电压研究及应用［J］.科技信息，2010（29）：331-332.

［3］施展鹏，宋刚.杆塔接地电阻的改善及仿真分析［J］.机电工程，2007（12）：102-105.

［4］王剑，刘亚新，陈家宏，等.基于电网雷害分布的输电线路防雷配置方法［J］.高电压技术，2008（10）：2065-2069.

［5］马仁明，黄安利.ATP-EMTP程序使用说明［M］.武汉：武汉高压研究所，1991.

［6］张颖，高亚栋，杜斌，等.输电线路防雷计算中的新杆塔模型［J］.西安交通大学学报，2004（4）：365-368.

［7］李福寿.电力系统过电压计算［M］.北京：水利水电出版社，1988.

［8］吴桂芳.500kV莞城变电站雷电侵入波过电压的计算［D］.武汉：武汉大学，2002.

［9］中华人民共和国电力工业部.交流电气装置的过电压保护和绝缘配合：DL/T620—1997［S］.北京：中国电力出版社，1997.

由图3和图4可以看出，当接地电阻一定时，在进线端加装避雷器，一方面可有效设备过电压水平，另一方面可以使设备的过电压尽快恢复，有效提高了设备的耐雷水平，保障了设备正常运行［8］。进线端避雷器正常运行时，改变一号杆塔的接地电阻，各台设备的电压值如表3所示。

表3

进线端避雷器运行情况各台设备的电压值

电阻值/Ω2杆塔接地CVT9电压变压器电一号串补电三号电抗器值/kV1107112311压值/kV811869923压值/kV03902电压值/kV6267674正常运行105由表3的计算结果可知，当进线端避雷器正常运行时，各台设备的耐雷水平随一号杆塔接地电阻的增大而减小。

当接地电阻为2Ω时，改变进线端避雷器的运行状态，各台设备的电压值如表4所示。

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