基于EMTP的電能表雷電浪涌過(guò)電壓防護(hù)分析

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(國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，濟(jì)南 250002)

0 引言

電能表是電力系統(tǒng)中主要的計(jì)量裝置，用于對(duì)用電量的測(cè)量。傳統(tǒng)的機(jī)械電能表僅具備單一計(jì)量功能，電子式電能表還具備分時(shí)段計(jì)量、測(cè)量數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)及實(shí)時(shí)傳輸和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與異常狀況診斷等功能，因此得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[1]。隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，電子式電能表中的計(jì)量芯片等電子器件也向集成化、小型化、高速化發(fā)展[2]，但這些器件耐受過(guò)電壓和過(guò)流的能力較弱，雷電浪涌極易造成電表數(shù)據(jù)計(jì)量丟失或錯(cuò)亂，影響電能計(jì)量精確度，甚至燒毀電表，威脅其他用電設(shè)備，更有甚者造成供電中斷，影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行[3]。

針對(duì)電能表等計(jì)量設(shè)備的雷電浪涌防護(hù)試驗(yàn)多采用8/20 μs電流波或1.2/50-8/20 μs組合波[4-5]，波形均呈脈沖狀，但實(shí)際電能表面臨的雷電浪涌過(guò)電壓沿線路傳播過(guò)程中波形會(huì)產(chǎn)生多次折反射[6]，呈現(xiàn)較為明顯的振蕩，且波頭時(shí)間一般較陡，實(shí)際線路雷電過(guò)電壓觀測(cè)波形[7]也證明了這一點(diǎn)，因此需要對(duì)電能表的雷電浪涌過(guò)電壓防護(hù)進(jìn)行詳細(xì)分析。EMTP、PSCAD等軟件[8]能夠準(zhǔn)確考慮線路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征，較為精確計(jì)算線路雷電浪涌過(guò)電壓[9]。

筆者通過(guò)EMTP軟件建立簡(jiǎn)化配電系統(tǒng)模型，計(jì)算電能表遭受雷電浪涌過(guò)電壓，討論配電線路采取避雷器防護(hù)措施對(duì)電能表終端浪涌過(guò)電壓的影響，分析柱上變壓器距電能表不同距離下的終端過(guò)電壓，最后研究電能表終端前安裝SPD的防護(hù)效果。

1 電能表的雷擊損害機(jī)理

雷電對(duì)電能表的危害方式主要有雷電直擊和雷電電磁感應(yīng)兩種。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，電能表遭受雷電直擊發(fā)生損壞的概率很低[10]，更多的是雷電電磁感應(yīng)。雷電電磁感應(yīng)的浪涌過(guò)電壓通過(guò)電源線或金屬管線傳導(dǎo)至電能表。雷電直擊線路或在線路上耦合感應(yīng)產(chǎn)生過(guò)電壓可達(dá)幾百kV[11]，浪涌過(guò)電壓沿線路傳播至電能表終端時(shí)，如果幅值超過(guò)電能表沖擊耐受電壓時(shí)，便會(huì)損壞電能表。此外，雷電發(fā)生時(shí)產(chǎn)生快速變化的瞬態(tài)電磁場(chǎng)，以電磁輻射的方式向周圍空間傳播，而電能表中的電子器件對(duì)電磁脈沖特別敏感，抗電磁干擾能力較弱，極易造成器件誤動(dòng)作甚至永久損壞[12]。

2 仿真計(jì)算模型

配電線路模型見圖1，包括10 kV架空線路、10 kV/220 V柱上變壓器、220 V線路、電能表和用電設(shè)備[13]。

圖1 配電線路模型Fig.1 Configuration of the distribution power system

2.1 雷電流模型

雷電流波形選用較為符合雷電發(fā)展實(shí)際規(guī)律的Heidler模型，其表達(dá)式為[14]

(1)

式中：I0為雷電流幅值；τ1和τ2分別為電流上升和衰減時(shí)間常數(shù)；n與雷電流陡度有關(guān)，IEC標(biāo)準(zhǔn)推薦取10。

2.2 架空線路與變壓器模型

10 kV架空線路采用Jmarti模型，高度為9.6 m，線路型號(hào)為L(zhǎng)GJ-50鋼芯鋁絞線。線路桿塔波阻抗取250 Ω，電感平均值為0.84 μH/m，桿塔檔距50 m。220 V架空線路采用Bergeron模型[10]，線路波阻抗為310.68 Ω。

對(duì)地電容模型是最為簡(jiǎn)單和常見的柱上變壓器模型，但其無(wú)法考慮變壓器的頻率特性和線路高低壓側(cè)的過(guò)度沖擊現(xiàn)象[15]，因此仿真中選用Janiszewski等人提出的高頻變壓器模型，高頻變壓器等效模型圖見圖2[16]。

圖2 柱上變壓器高頻模型Fig.2 High-frequency model of distribution transformer

2.3 避雷器和智能電表模型

在實(shí)際防護(hù)中，10 kV線路有時(shí)會(huì)安裝金屬氧化物避雷器，仿真中采用非線性電阻模擬金屬氧化物避雷器，其流經(jīng)電流與電壓之間服從下式關(guān)系：

i=kuα

(2)

式中：i為流經(jīng)避雷器的電流；u為避雷器上電壓；系數(shù)k和α根據(jù)避雷器產(chǎn)品具體數(shù)據(jù)擬合得到。仿真中10 kV配電避雷器型號(hào)為YH5W-17/50[17]，直流參考電壓U1mA為25 kV。

電能表內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，電源模塊和表內(nèi)PT回路是過(guò)電壓侵入的主要途徑[18]，仿真中主要考慮這兩部分，電能表等效為變壓器、整流橋和穩(wěn)壓芯片組成[10]。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 浪涌過(guò)電壓

變壓器高壓側(cè)200 m處10 kV線路遭受雷擊時(shí)，流向電能表的電流波形和對(duì)地電壓波形見圖3。雷電流幅值50 kA，波形2.6/50 μs，對(duì)應(yīng)的雷電流通道等值波阻抗取700 Ω[19]。變壓器距電能表線路距離100 m，桿塔每?jī)苫惭b一組避雷器，桿塔接地電阻10 Ω。

(a)電流波形

(b)對(duì)地電壓波形圖3 電能表電流波形和對(duì)地電壓波形Fig.3 Wire current and voltage-to-ground of the watt-hour meter

由圖3可看出，流向電能表電流波形和電能表對(duì)地電壓波形均呈現(xiàn)較為明顯的振蕩，主要是由于雷電波在配電系統(tǒng)傳輸過(guò)程中阻抗不匹配導(dǎo)致多次折反射。電能表對(duì)地過(guò)電壓幅值配電系統(tǒng)中IV類沖擊耐受電壓(6 kV)，會(huì)對(duì)電能表絕緣造成嚴(yán)重危害。此外，過(guò)電壓波頭時(shí)間較陡，電壓變化率較高，不利于雷電防護(hù)。

3.2 安裝配電避雷器

不同避雷器安裝間距下流向電能表的電流幅值和對(duì)地過(guò)電壓幅值見圖4。

從圖4可看出，隨著避雷器安裝密度的增加，流向電能表電流和對(duì)地過(guò)電壓幅值降低。每基桿塔均安裝避雷器時(shí)對(duì)地過(guò)電壓比每4基桿塔安裝避雷器時(shí)降低30%。但是避雷器安裝越密，對(duì)應(yīng)的成本越高，推薦將避雷器安裝于低絕緣水平或高接地電阻桿塔上[20]。

電能表對(duì)地過(guò)電壓幅值累積分布概率曲線見圖5。

圖5表明，電能表對(duì)地過(guò)電壓幅值累積概率分布曲線隨著避雷器安裝間距的增大而整體右移，即出現(xiàn)幅值高的過(guò)電壓概率增大。累積幅值概率曲線出現(xiàn)突然下降的情況主要是由于變壓器高壓側(cè)前端避雷器限壓作用。

(a)電流

(b)電壓圖4 電能表電流和對(duì)地電壓幅值隨避雷器安裝間距變化Fig.4 Wire current and voltage-to-ground of the watt-hour meter under different distribution arrester configurations

圖5 電能表對(duì)地過(guò)電壓幅值累積概率分布曲線Fig.5 Cumulative-probability distribution of voltage-to-ground of the watt-hour meter

3.3 安裝SPD防護(hù)效果

即使10 kV線路安裝有避雷器，從高壓側(cè)傳遞至電能表的過(guò)電壓仍然較高，有必要在電能表前端安裝SPD。圖6給出了安裝SPD后，電能表對(duì)地過(guò)電壓波形。SPD直流參考電壓U1mA為1.3 kV，10 kA電流沖擊下殘壓為2.9 kV。

由圖6可看出，電能表前端安裝SPD后，對(duì)地過(guò)電壓幅值和陡度都得到明顯抑制。過(guò)電壓幅值未超過(guò)2 kV，SPD起到了有效保護(hù)作用。

不同接地電阻和線路長(zhǎng)度下電能表對(duì)地過(guò)電壓變化見圖7。

圖6 安裝SPD后電能表對(duì)地過(guò)電壓波形Fig.6 Voltage-to-ground of the watt-hour meter after installing SPD

圖7 不同接地電阻和線路長(zhǎng)度下對(duì)地過(guò)電壓Fig.7 Voltage-to-ground of the watt-hour meter under different line length and ground resistance

由圖7可看出，隨著線路長(zhǎng)度增加，電能表對(duì)地過(guò)電壓增大，這主要是受電能表負(fù)載與線路阻抗之間的諧振影響[20]。接地電阻對(duì)電能表對(duì)地過(guò)電壓影響十分明顯，100 Ω接地電阻情況下，即使安裝了配電避雷器和SPD，對(duì)地過(guò)電壓仍然超過(guò)了6 kV，需要盡可能降低SPD接地電阻。

4 結(jié)論

利用EMTP軟件，分析了變壓器高壓側(cè)200 m處10 kV線路遭受雷擊時(shí)，流向電能表的電流I和電能表對(duì)地電壓U，得到如下結(jié)論：

1)I和U的波形均呈現(xiàn)較為明顯的振蕩，且波頭時(shí)間較短。U幅值較高，極易超過(guò)其沖擊耐受電壓。

2)I和U幅值均著避雷器安裝密度的增加而降低，對(duì)應(yīng)的過(guò)電壓幅值累積概率分布曲線也整體左移。

3)U隨著220 V線路長(zhǎng)度增加而增大。電能表前端安裝SPD后能夠有效降低對(duì)地過(guò)電壓，使設(shè)備得到較好的保護(hù)，但需要盡可能降低SPD接地電阻。