ATP在分析電力系統(tǒng)過(guò)電壓等方面的應(yīng)用研究

張弘 黃志先

摘 要

ATP-EMTP廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)過(guò)電壓分析、絕緣配合、諧波研究以及保護(hù)模擬。主要是將分布參數(shù)元件采用特性法轉(zhuǎn)化為集中參數(shù)分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)果可以是模型各元件相關(guān)量。本文研究了ATP仿真軟件在分析雷電過(guò)電壓、操作過(guò)電壓、暫態(tài)過(guò)電壓等方面的應(yīng)用。在研究和工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，發(fā)揮重要作用。

關(guān)鍵詞

ATP;應(yīng)用;電力系統(tǒng);過(guò)電壓

中圖分類號(hào)： TM862-4;G642 ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.19.044

Abstract

ATP-EMTP is widely used in power system overvoltage analysis，insulation coordination，harmonic research and protection simulation.The main purpose of this paper is to transform the distributed parameter elements into the lumped parameter analysis and calculation by using the characteristic method.The calculation results can be the correlation of each element of the model.This paper studies the application of ATP simulation software in the analysis of lightning overvoltage，switching overvoltage and transient overvoltage.It is widely used in research and engineering fields and plays an important role.

Key Words

ATP application;Power system;Overvoltage

EMTP是世界范圍內(nèi)使用非常廣泛的電磁暫態(tài)仿真程序，主要用于模擬計(jì)算電力系統(tǒng)的電磁暫態(tài)過(guò)程，ATP可以說(shuō)是EMTP中的一個(gè)使用相對(duì)普遍的版本。ATP可將分布參數(shù)元件轉(zhuǎn)化為集中參數(shù)元件求解，典型元件包括集中參數(shù)的線性和非線性電阻、電感、電容電路，π型電路，多相分布參數(shù)的輸電線路，各種類型的開(kāi)關(guān)、變壓器等。故除了在電力工程中應(yīng)用外，還用于教學(xué)、科研領(lǐng)域。ATP雖然也還因?yàn)殚_(kāi)發(fā)時(shí)間、編譯器、應(yīng)用平臺(tái)等原因有不同的幾個(gè)版本，但各版本之間區(qū)別不算太大。

下面談?wù)凙TP在分析電力系統(tǒng)過(guò)電壓等方面的應(yīng)用。

1 用于分析雷擊過(guò)電壓

電力網(wǎng)中輸電線路經(jīng)常遭受雷擊，如果在進(jìn)線段遭受雷擊，還可能會(huì)產(chǎn)生行波侵入變電站，對(duì)站內(nèi)電氣設(shè)備造成過(guò)電壓危害，所以對(duì)輸電線路進(jìn)線段進(jìn)行過(guò)電壓分析能評(píng)價(jià)原有防雷措施性能，并可對(duì)其給予指導(dǎo)性意見(jiàn)。

一般方法是，可以先確定雷電流波形和雷電流幅值的概率，根據(jù)防雷保護(hù)規(guī)程取值即可，主要參數(shù)包括波形、波頭和半峰值時(shí)間，可按具體項(xiàng)目要求選擇極性、雷電流幅值;使用ATP仿真軟件分析要確定輸電線路的模型，可以用常規(guī)π型電路、無(wú)損分布參數(shù)電路、無(wú)畸變分布參數(shù)電路、帶集中電阻的分布參數(shù)電路或者具有頻率相關(guān)參數(shù)的分布參數(shù)電路來(lái)模擬架空線路和電纜。了解到使用最多的是常規(guī)π型電路、無(wú)損分布參數(shù)電路、帶集中電阻的分布參數(shù)電路以及J.Marti模型，還可考慮換位和不換位線路的模擬，每相是否分裂，架空地線的數(shù)量，同塔幾回線等等。這些可以根據(jù)具體項(xiàng)目進(jìn)行選擇;接下來(lái)可進(jìn)行桿塔建模，多波阻抗模型與單波阻抗模型，桿塔參數(shù)主要是類型、材料參數(shù)、高度、沖擊接地電阻，有避雷線的一般還考慮避雷線與導(dǎo)線將桿塔分為多段，故也有用單相分布參數(shù)線路模擬桿塔;具體項(xiàng)目還要區(qū)分電纜還是架空線;然后是絕緣子串模型，可將其簡(jiǎn)化等效為可控開(kāi)關(guān)，一般將其可控導(dǎo)通電壓設(shè)置為50%沖擊放電電壓即可;也有根據(jù)其伏秒特性建立模型的。

在仿真模型中錄入?yún)?shù)，一般按照雷擊點(diǎn)計(jì)算各種雷擊情況;計(jì)算結(jié)果一般可表明，當(dāng)遭受何種雷擊時(shí)，過(guò)電壓數(shù)值最高;進(jìn)一步可分析在何種運(yùn)行方式下，站內(nèi)設(shè)備過(guò)電壓最高再根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果評(píng)價(jià)雷害及防雷效果，提出防雷指導(dǎo)建議。也可以根據(jù)某次雷擊記錄進(jìn)行事故分析。

具體情況中雷擊過(guò)電壓情況還與變電站內(nèi)接線、電氣參數(shù)，以及雷電侵入波折射反射的具體情況有關(guān)，甚至架空線內(nèi)徑、外徑、水平和垂直位置、相角等各種因素有關(guān)。

2 用于分析操作過(guò)電壓

電力系統(tǒng)中的斷路器操作或因系統(tǒng)故障引起的過(guò)電壓則為操作過(guò)電壓。引起操作過(guò)電壓的原因歸根到底是斷路器狀態(tài)改變，但是引起斷路器的分合閘的原因就很多了，也較復(fù)雜;一般來(lái)說(shuō)可以單純探討其中一種原因，以使問(wèn)題易于分析。對(duì)于避雷器通流能力的確定、電氣設(shè)備耐受電壓的確定以及輸配電線路桿塔空氣絕緣間隙的確定，操作過(guò)電壓占了相對(duì)主要的作用。

應(yīng)用ATP仿真分析的一般方法，首先是把分布參數(shù)的線路用集中參數(shù)建模，利用ATP軟件選擇元件畫(huà)出仿真圖，輸入?yún)?shù)，仿真電路是可以根據(jù)實(shí)際情況配置電源內(nèi)阻和電感，對(duì)于斷路器模型則將開(kāi)關(guān)的閉合和斷開(kāi)過(guò)程理想化，一般就采用時(shí)控開(kāi)關(guān)模型來(lái)模擬斷路器各相合閘的同期性，時(shí)控開(kāi)關(guān)則可以控制三相電路各相接通時(shí)間。根據(jù)開(kāi)關(guān)不同時(shí)刻合閘的，分別啟動(dòng)輸電線路仿真過(guò)程;設(shè)定仿真時(shí)間與步長(zhǎng)，然后即可分為三相不同期、三相同期、斷口加裝并聯(lián)電阻或電抗等多種情況進(jìn)行仿真計(jì)算，通過(guò)設(shè)置開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)時(shí)間來(lái)在不同截流時(shí)切斷并聯(lián)電抗器過(guò)電壓。計(jì)算結(jié)果的對(duì)比可看出各相過(guò)電壓的幅值及出現(xiàn)時(shí)刻，還可以驗(yàn)證并聯(lián)電阻或電抗器對(duì)限制過(guò)電壓的效果。

經(jīng)過(guò)仿真運(yùn)算，可以從分析結(jié)果中看出在線路末端加裝并聯(lián)電抗器或合閘電阻后，確實(shí)可以降低工頻穩(wěn)態(tài)電壓，限制合閘過(guò)電壓，而且其振蕩衰減時(shí)間也有明顯縮短，不過(guò)嚴(yán)重時(shí)的過(guò)電壓仍有可能對(duì)電力系統(tǒng)中的設(shè)備和線路的絕緣帶來(lái)破壞。

3 用于分析計(jì)算暫時(shí)過(guò)電

暫時(shí)過(guò)電壓一般指包括工頻電壓升高以及諧振過(guò)電壓，其中的工頻電壓升高對(duì)于超高壓電力系統(tǒng)的絕緣水平的確定騎著決定性作用，雖然一般來(lái)說(shuō)對(duì)220kV以下系統(tǒng)危害不大，但對(duì)設(shè)備絕緣終究是有影響的，而且還會(huì)產(chǎn)生過(guò)電流，所以對(duì)這種現(xiàn)象的仿真分析也具有意義。

ATP軟件可以對(duì)低壓系統(tǒng)的如10kV系統(tǒng)PT繞組故障仿真分析，可以對(duì)中性點(diǎn)消弧線圈上的電壓規(guī)律進(jìn)行分析。

4 用于分析接地措施效果

對(duì)于變電站接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)、施工，可以事先或改造前，根據(jù)主地網(wǎng)的設(shè)計(jì)圖紙，搭建仿真模型，電路參數(shù)的設(shè)置可以根據(jù)需要，如分析工頻接地則把電源取值為交流電源，如分析防雷或其他限制過(guò)電壓效果則設(shè)置為沖擊電源，具體等效電路模型可參考下圖，通過(guò)仿真測(cè)試可計(jì)算得到接地電阻值以及接地網(wǎng)電流，從而可以評(píng)價(jià)接地措施的效果。

5 用于判別電纜故障

根據(jù)配網(wǎng)自身網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，使用ATP仿真建模，可以驗(yàn)證，施加特定的信號(hào)，通過(guò)比對(duì)完好相和故障相的低壓脈沖反射波形，對(duì)多分支配網(wǎng)電纜的一些典型故障，如開(kāi)路故障，可以實(shí)現(xiàn)比較準(zhǔn)確的判定與測(cè)距。所以，利用仿真的手段，尋求與驗(yàn)證一種對(duì)于配網(wǎng)經(jīng)常發(fā)生的單相故障判別方法具有應(yīng)用意義。

ATP在電力工程領(lǐng)域中，既能在變電站、輸電線路設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，先對(duì)其進(jìn)行仿真分析，確定絕緣、防雷設(shè)計(jì)方案，也能對(duì)已建成變電站、輸電線路的防雷措施、限制過(guò)電壓措施進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。ATP不僅在工程領(lǐng)域得到廣泛有效的應(yīng)用，在教學(xué)、科研領(lǐng)域也可發(fā)揮出很大作用。

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