EMTP在線路防雷中的應(yīng)用

王祎菲

（國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006）

EMTP在線路防雷中的應(yīng)用

王祎菲

（國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006）

EMTP是具有強(qiáng)大電磁暫態(tài)計(jì)算能力的仿真軟件，應(yīng)用該軟件中的集中參數(shù)電阻、多相分布參數(shù)的輸電線路、合適的開(kāi)關(guān)及電源等元件，根據(jù)500 kV輸電線路中典型塔型相關(guān)數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確建立雷擊桿塔模型，并對(duì)其進(jìn)行計(jì)算分析，找到線路防雷保護(hù)存在的問(wèn)題，進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，保障輸電線路的可靠運(yùn)行及電力系統(tǒng)的穩(wěn)定安全。

EMTP；輸電線路；雷電防護(hù)

隨著電力事業(yè)的迅猛發(fā)展，高壓輸電成為發(fā)展的必然趨勢(shì)。由于大氣環(huán)境日益惡劣，雷電災(zāi)害更加普遍。當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重的雷擊高壓輸電線路事故時(shí)，將引發(fā)線路跳閘，導(dǎo)致大范圍停電，影響工業(yè)生產(chǎn)及人民生活，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至?xí){人身安全［1－2］。因此，對(duì)輸電線路遭受雷擊進(jìn)行準(zhǔn)確的仿真模擬，找出防雷保護(hù)的薄弱環(huán)節(jié)，并進(jìn)行合理有效地改造，可提高線路的防雷性能。

1 電磁暫態(tài)仿真軟件

1968年美國(guó)伯尼維爾電力管理局的加拿大哥倫比亞大學(xué)教授Dommel編制了最初的約有5 000條語(yǔ)句的電磁暫態(tài)計(jì)算程序EMIP（Electro Magnetic Transient Program）。EMTP是以線路防雷計(jì)算中的Bergeron數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，利用求解集中參數(shù)電路暫態(tài)過(guò)程的梯形法和求解分布參數(shù)線路波過(guò)程的特征線法相結(jié)合的數(shù)值計(jì)算方法編制的大型應(yīng)用程序。經(jīng)過(guò)工程技術(shù)人員十多年的不斷開(kāi)發(fā)和在許多國(guó)家長(zhǎng)期實(shí)際應(yīng)用中的反復(fù)修改，目前的語(yǔ)句數(shù)量已多達(dá)數(shù)萬(wàn)條，并發(fā)展出了卡片輸入方式。這些應(yīng)用的開(kāi)發(fā)，為電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行及科研工作提供了可靠依據(jù)［3－4］。

對(duì)象［5］。本文應(yīng)用EMTP 5.0軟件由Borland Delphi 2007語(yǔ)言編寫(xiě)，可在Windows 9x／NT／2000／XP／Vista和LINUX系統(tǒng)下運(yùn)行。該程序有標(biāo)準(zhǔn)的視窗平臺(tái)，目前大約支持100個(gè)標(biāo)準(zhǔn)組件和60個(gè)TACS使用者可根據(jù)相應(yīng)的需要進(jìn)行選擇，有一些組件是程序中已有的定義，還有一些可根據(jù)需要自己定義，通過(guò)所有組件進(jìn)行組合搭建所需要模擬的電路模型。程序?qū)⒆詣?dòng)給電路各支路的節(jié)點(diǎn)命名，使用者也可根據(jù)需要對(duì)一些特別的重要節(jié)點(diǎn)自行命名。運(yùn)算時(shí)需要的EMTP輸入文件會(huì)由處理器自動(dòng)生成。因此，基于圖形化的平臺(tái)使應(yīng)用EMTP進(jìn)行電磁暫態(tài)分析計(jì)算極其方便和準(zhǔn)確。

2 輸電線路雷電暫態(tài)模型的建立

500 kV高壓輸電線路大多是同塔雙回輸電，由于電壓等級(jí)高，導(dǎo)致桿塔高度相對(duì)更高，且檔距相對(duì)更遠(yuǎn)，因此，更易發(fā)生雷擊事故［6－7］?，F(xiàn)選取典型的SZK雙回路塔為例進(jìn)行模擬計(jì)算（如圖1所示），桿塔左側(cè)為正相序，右側(cè)為逆相序排列。

圖1 SZK型塔及參數(shù)

2.1 桿塔塔頂過(guò)電壓

桿塔塔頂過(guò)電壓主要包含雷電過(guò)電壓、感應(yīng)過(guò)電壓、工頻電壓及電暈的影響。

本文選取的雷電流波形為2.6／50 μs，幅值為240 kA，負(fù)極性。

當(dāng)雷電流擊中塔頂時(shí)，導(dǎo)線將產(chǎn)生感應(yīng)過(guò)電壓。

式中I——流過(guò)電流的幅值，kA；

hc——導(dǎo)線相對(duì)地面的平均高度，m；

hg——避雷線相對(duì)地面的平均高度，m；k0——避雷線和導(dǎo)線間的耦合系數(shù)。

對(duì)于工頻電壓的影響，由于工頻電壓隨著時(shí)間的變化和每相相角的不同而不同，為了計(jì)算簡(jiǎn)便且從嚴(yán)考慮，本文選取以來(lái)進(jìn)行計(jì)算，Um為工頻電壓的峰值［9－10］，該數(shù)值較實(shí)際情況偏大。

由于電暈實(shí)際是在消耗雷電流過(guò)電壓的能量，本文忽略電暈的影響。

2.2 絕緣子串閃絡(luò)模型

一些西歐國(guó)家常采用相交法作為絕緣子串閃絡(luò)的判據(jù)（如圖2所示），t1時(shí)刻絕緣子串上的過(guò)電壓幅值較高，而在t2時(shí)刻絕緣子串上的過(guò)電壓曲線與絕緣子串的伏秒特性曲線相交，即為閃絡(luò)時(shí)刻［11］。經(jīng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)證，相交法所得的結(jié)果與實(shí)際情況基本符合。

圖2 絕緣子串閃絡(luò)時(shí)刻的判定

根據(jù)絕緣子串閃絡(luò)的特點(diǎn)，可運(yùn)用EMTP中的TACS子程序進(jìn)行模擬，主要元件有：傳遞函數(shù)塊G（s）、模擬時(shí)間的TIMEX和模擬電壓的單位電壓源UNITY＝1.0兩個(gè)內(nèi)部信號(hào)源、FORTRAN運(yùn)算符和函數(shù)及部分DEVICES裝置［12］。

3 計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)計(jì)算得到各相電流波形如圖3所示，橫坐標(biāo)為雷電流在桿塔上的通流時(shí)間，縱坐標(biāo)為雷電流幅值。由圖3可以看出，當(dāng)雷擊桿塔塔頂時(shí)，左右兩側(cè)最下面一相發(fā)生了閃絡(luò)，其余各相安全，且未閃絡(luò)的4相中，越靠近桿塔塔頂?shù)南?，電流幅值越高?/p>

圖3 雷擊時(shí)各相上電流值

3.1 接地電阻對(duì)防雷性能的影響

在其余計(jì)算條件不變的情況下，改變桿塔接地電阻，分別取4 Ω、7 Ω、15 Ω和30 Ω，對(duì)比各相絕緣子電壓幅值，結(jié)果如表1所示。

表1 接地電阻對(duì)桿塔各相絕緣子上電壓幅值的影響

由表1可以看出，隨著接地電阻的升高，各相絕緣子電壓幅值也隨之增大。因此，降低桿塔接地電阻將有效提高其防雷安全性能。

3.2 避雷器對(duì)防雷性能的影響

在線路左右兩側(cè)各加裝1組500 kV線路避雷器，各相絕緣子電壓幅值變化如表2所示。

表2 避雷器對(duì)各相絕緣子電壓幅值的影響

由表2可以看出，加裝線路避雷器后，各相絕緣子電壓幅值明顯下降，只要合理加裝線路避雷器，輸電線路防雷性能將顯著提高。

4 結(jié)束語(yǔ)

輸電線路防雷性能對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有重要意義，運(yùn)用仿真軟件進(jìn)行電磁暫態(tài)仿真計(jì)算可以更好地掌握線路防雷性能。通過(guò)運(yùn)用國(guó)際通用的EMTP軟件對(duì)500 kV輸電線路中的典型桿塔進(jìn)行雷擊模擬運(yùn)算，發(fā)現(xiàn)在高強(qiáng)度雷電流的作用下，線路的安全運(yùn)行存在極大隱患，通過(guò)降低接地電阻及合理加裝線路避雷器可有效提高其防雷性能。

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Application on Lightning Protection of EMTP Line

WANG Yi?fei
（Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China）

EMTP is a simulation software that it is powerful computing power of electromagnetic transient.This paper focuses on appli?cation of the software parameters of resistance，parameter transmission line of multi?phase distributed and the appropriate switch and power supplies and other components.Accurate simulation model of the tower struck by lightning are established based on a typical 500 kV transmission line tower in the relevant data.Lightning protection problems are found by calculation analysis and made appropriate adjustments to ensure the stability of power system security.

EMTP；Transmission line；Lightning protection

TM863

A

1004－7913（2016）01－0013－03

王祎菲（1985—），女，碩士，工程師，從事高壓開(kāi)關(guān)試驗(yàn)、高電壓與絕緣研究工作。

2015－10－10）