基于ATP-EMTP的输电线路耐雷水平仿真计算研究

基于ATP-EMTP的输电线路耐雷水平仿真计算研究摘要：输电线路的性能直接影响着输电系统的可靠性，不稳定的输电线路可能导致电能供应的中斷， 并引超重大的经济损失雷电反击过电压是引起输电中斷的主要因素之一，特别是在雷电活动频繁的 地区目前有多种方案可以解决雷电过电压问题，其中安装线路避雷器因其性能优良、安装方便、成 本低廉等优点成为首先方案之一本文以一个220kV输电系统为例，在电磁仿真软件ATP-EMTP中建 立了雷电冲击电源和输电线路的仿真模型，分别对输电线路安装和不安装线路避雷器的情况进行了仿 真计算仿真结果表明，在每一杆塔输电回线的顶层线路上安装线路避雷器可以整体提高输电系统的 防雷性能关键词：反击电压；输电线路模型；ATP-EMTP：线路避雷器Analysis of Power Transmission Lines for LightningBack Flashover based on ATP-EMTPAbstract: Perfoimance of power transmission lines has a great impact on reliability of a particular power supply system.Unreliable power transmission lines can lead to total power failures resulting with great finan・ cial losses. The lightning back flashover effects are recognized as one of the major causes of transmission line outages, especially in areas with frequent lightning. Several types of solutions are presently available to address the issue of lightning back flashovers・ However, the modern concept of transmission line mounted surge arresters is of great popularity due to its excellent performance, ease of installation and the low cost compared to the other solutions. This paper describes a case study carried out on a 220kV power transmission lines and mainly focuses on the way of analyzing the back flashover events by transient modeling and subsequent simulation of the selected transmission line in an electromagnetic transient computer program・ The study uses the ATP-EMTP software program as the software tool for the purpose of modeling and simulation.Simulations are carried out with and without Transmission Line Arrester to evaluate the impact of transmission line arresters on back flashover. The results of the simulations show that the installation of transmission line arresters at top phases of each selected towers improve the overall performance.Keywords: Back FIashover;modeling transmission line;ATP-EMTP;Transmission Line Airester1引言输电线路的雷电过电压保护是现代电力系统的主 要研究课题之一，雷电反击过电压经常引起输电线路的 绝缘闪络。

雷电反击过电压在雷击杆塔或避雷线的情况 下都可能发生，落雷过程会在避雷线上产生向两端传播 的电压和电流波，并路阻抗不连续的节点上发生反 射现象⑴因此，线路上产生的冲击电压可能超过绝缘 子的击穿电压而发生杆塔对线路的反击现象输电线路 反击耐雷水平的主要研究方法有：规程法、行波法、蒙 特卡洛法和EMTP仿真计算法叫 具中ATP-EMTP是 应用极为广泛的八种电磁暂态仿真软件，EMTP在贝杰 隆法的基础上应运而生，所谓贝杰隆法从根本上说是一 种数值计算法，它将特征线法与梯形法有机的结合起 来，既解决了计及分布参数线路波过程的求解问题，又 考虑到集中参数线路的暂态过程⑶本文采用电磁仿真 软件ATP-EMTP仿真了 一条220kV同塔双回输电线路, 研究了系统电源在不同相角下的耐雷水平，验证了线路 避雷器的防雷性能2仿真模型说明通常雷电流的频率很高，在分析雷电反击过电压 对220kV输电线路的影响时必须使用快速瞬态仿真模 型，仿真模型在ATP-EMTP中的整体框图如图1所示・电ttVL 二: 扁•用F"川«r图i.整体仿真图整个输电线路的模型包括以下几个部分：1. 输电线路杆塔：仿真系统中共有5座杆塔，分 别为L2、LI、M、Rl、R2,如图1所示。

在输电线 路的雷电冲击电流分析中，杆塔模型采用冲击阻抗模 型在本文的分析中假设雷电流波从杆塔的顶端垂直 向底端传播，杆塔的实物图和仿真模型如图2所示， 图中杆塔模型的平均冲击阻抗计算公式为⑷：Z7. =60/4cot{0.5 tan-1 (/?//?)}] (1)式中 R = (i\h} +r2h + /:/?])/ h h = hx + 包当雷电冲击波在杆塔中传播时，频率的影响必须 进行考虑，因此在杆塔的模型中串接R-L并联部分模 拟频率对雷电冲击波的影响，假设电流波在杆塔中的 传播速度等于光速，则在杆塔中传播的时间耳为Tj = h/ c (2)式中h为塔高，C为光速(300in/us)R和L的值山冲击阻抗、传播时间、塔身每段的长度 (xl,x2,x3,x4)以及衰减系数°决定，计算公式如下⑸:X 1/?. = 2^Z In(-) (3)1 h 1 a乙=2吶 (4)式中 z = 1,2,3,4杆塔横担处的波阻抗计算公式为⑸：Zi = 60//?(—^) (5)r式中21,2,3,4； X,为第i部分横担所对应的高度, 『为第i横担的等效半径2. 输电线路：采用与频率相关的LCC模型來进行 建模，可以设置输电线路的线径、电阻以及在杆塔上 的排列方式等参数。

3. 输电系统电源:采用ATP中初始相角可以改变 的三相交流电源4. 杆塔的接地电阻：在冲击电流条件下，杆塔的 接地电阻值随冲击电流的大小而变化，并且受土壤电阻率和杆塔周围电极击穿特性的影响⑹对某一具体 的冲击电流而言，产生的冲击电压如果足以将土壤击 穿，就可以形成导电通路，最终使接地电阻减小因 此冲击接地电阻小于在小电流、低频率条件下的接地 电阻，两者Z间的关系山文献［6］可得：©=&/』+ " （6）心 是杆塔在小电流、低频率条件下的接地电阻；I 是流入地中的冲击电流幅值（kA） ； I&是使土壤发 生最小电离的电流，其大小为人舲） （7）2龙R；Do为土壤电阻率；为土壤电离时的场强，大约为 300k V/m<>5. 绝缘子串模型：绝缘子串闪络判据目前主要有 定义法、相交法和先导法定义法和相交法判断绝缘 闪络的棊本原理均是通过比较绝缘子上的过电压波与 标准波（1.2/50 us）下伏秒特性曲线来判断绝缘子是否 发生闪络的，而发生雷击时线路绝缘子上会出现各种 雷电过电压波形，远非标准波⑺，在非标准波下绝缘 子串闪络可通过先导的发展判断，因此在本文中采用 基于先导法判断绝缘闪络的绝缘子模型⑻。

6. 避雷器：使用Pinceti避雷器等效电路模型该 模型是P.Pinceti和M.Giannettoni对IEEE避雷器的等 效电路做的简单修改⑼7. 雷电流发生器：产生波头和波尾时间可变的雷 电流波形I⑼，其数学表达式为双指数函数输电系统的仿真模型如图1所示，整个系统包括 5座杆塔，分别为L2、LI、M、Rl、R2,其中M为 雷击点的杆塔，L2、LI、R2、R1代表M左右两边的 相邻杆塔两座杆塔之间的跨度山LCC模型进行设 置线路中的6相导线分别通过绝缘子串与杆塔的上、 中、下横担相连，在本文中分别叫做顶层线路、中间 层线路和下层线路，避雷线接于杆塔的顶端杆塔通 过接地电阻与大地连接3. 仿真过程在仿真计算中分别讨论了冲击电流幅值、输电系 统电源电压相角和杆塔M的接地电阻对反击过程的 影响仿真过程分两种情况进行讨论，第一种情况不 考虑线路避雷器，冲击电流波形选为8/20 u s,冲击接 地电阻分别选取9Q、17Q和62 Qo第二种情况考虑 线路避雷器，冲击电流波形选取8/20 u s和1.2/50 u s, 冲击接地电阻值选为62Q ,在这种情况下线路的耐雷 水平最低在以上两种仿真条件下，雷电冲击电源都 加在杆塔M上。

4. 仿真结果分析1.线路上不安装避雷器第一部分的仿真共进行了3组，从图3和图4的 结果可以看出，当冲击电流的波形为8/20 u s时，杆 塔接地电阻取9 Q和17 Q ,线路的耐雷水平棊本相同, 两种情况下均为回线1的顶层输电线路最可能发生闪 络，回线1和回线2的中间层线路耐雷水平相同山 图5可以看出，杆塔的接地电阻为62Q时，在同样的 8/20 口 s冲击电流波形下，线路的耐雷水平有所不同除了当冲击电流波形为8/20 u s,接地电阻为62 Q时的情况，其它2组的仿真结果表明双回线路的反 击都发生在杆塔顶层的线路上，发生反击时的最小雷 电流幅值约为40kAo回线2的顶层线路在雷电流幅值 为40kA时发生闪络，此时系统电源的相角在60° ~200°的范围内，而当系统电源的相角在0°〜40°范 围和200° -340°范围内时，回线1的顶层线路在雷 电流的幅值达到40kA时发生闪络现象以上结果表 明，在雷电流幅值为40kA的条件下，系统电源的相 角从200°变为210°时，闪络现象山回线2的顶层线 路转移到回线1的顶层线路图3.杆塔M发生反击时的雷电流量小幅值（8/20 U s,叫=90）图4.杆塔M发生反击时的雷电流最小幅值（8/20 M s, =170）V-& 亠 、*的\,' .T 50 100 150 200 250 300 350系统电源相角[。

]图5.杆塔M发生反击时的雷电流量小幅值(8/20 U s. Rf =620 )在所有的仿真计算中，反击现象都没有发生在输 电回线的底层线路上，因此可以说明顶层和中间层的 线路更可能发生反击现象2.在杆塔M处输电回线2的顶层线路上安装避雷器仿真结果如图6和图7所示当雷电流波形为8/20□ s和1.2/50 u s时，输电回线1顶层线路的耐雷水平 基本相同，输电回线2的中间层线路在雷电流波形为 8/20 us, I幅值为18。