ATP—EMTP在電力系統過電壓教學中的應用

邱巍+高振國+于力+韓剛+鮑潔秋

摘要：應用仿真軟件建立模型可作為課堂輔助教學手段，有助于提高教學效果。以合空載線路為例，采用ATP-EMTP仿真軟件建立線路過電壓模型，分別采用合閘電阻、避雷器限制過電壓，探討將數字仿真軟件應用于教學實踐的教學方法。

關鍵詞：教學方法；ATP-EMTP仿真軟件；空載線路合閘；應用

中圖分類號：TM864 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）03-0039-03

電力系統過電壓是高電壓技術課程的重要組成部分。在電力系統過電壓相關內容的教學中，將應用ATP-EMTP仿真軟件模擬過電壓產生的暫態過程，作為課堂輔助教學手段，可以提高課堂教學效率，促進學生掌握基礎理論。本文探討在教學實踐中利用數字仿真軟件建立模型的教學方法，以某500 kV架空輸電線路為例，模擬空載線路合閘過電壓的產生，并分別采用合閘電阻、避雷器限制過電壓。

1 ATP-EMTP數字仿真軟件簡介

ATP（The Alternative Transients Program）軟件用于電磁暫態分析，是電磁暫態分析程序EMTP應用得最為廣泛的一個免費版本，它包含有多個集中元件、分布參數、線性與非線性元件、依賴于頻率變化的線路、各類型開關、電力電子元件、變壓器及電機、多種類型電源等近70個原件模型，可以模擬、分析對稱或非對稱干擾（如接地、雷擊）和任何形式的開關操作，幾乎可以對任何復雜電力網絡進行穩態和暫態仿真分析。

2 500 kV合空載線路仿真模型的建立

教材中對空載線路合閘過電壓的產生機理進行了詳細敘述，但并未列出系統狀態改變產生過電壓后電壓隨時間變化的曲線，所以選用這部分內容進行仿真。仿真對象為某一電壓等級為500 kV、長度為 384 km的架空輸電線路。電源采用500 kV三相交流電，相電壓幅值為U=500/3（kV）=408.2（kV），頻率為50 Hz，電源電抗為210 Ω。輸電線路模型采用基于頻率的J.Marti模型，全線分成4段均勻換相。空載合閘過電壓原理圖及仿真模型分別如圖1和圖2所示，模型中接入3個電壓探針，分別讀取電源端、線路首端及末端的電壓值。

J.Marti輸電線路采用LCC模塊，設線路桿塔為同塔雙回路架線的直線塔。模塊中輸電線路及架空地線的參數設置分別按LGJ-500/65和JBL4-95選取：導線的內、外徑分別為1.72 cm和15.48 cm，直流電阻為0.057 6 Ω/m；架空地線的內、外徑分別為1.50 cm和6.24 cm，直流電阻為0.457 5 Ω/m。導線采用四分裂，分裂距離45 cm，大地電導率取100 Ω/m。

3 空載線路合閘仿真

空載線路的合閘仿真通過關合斷路器來實現，斷路器的關合采用三相時控開關控制，設A，B，C三相完全同期合閘，合閘時間為33.1 ms，仿真步長為0.000 01，仿真時間為0.20 s。由于容性效應，長空載線路最高電壓出現在線路末端。空載線路合閘后，過電壓波到達開路的線路末端后會發生正全反射，造成末端電壓進一步升高，線路末端的電壓為仿真時的最大電壓。這可以幫助學生理解為什么選擇線路末端讀取過電壓結果。線路末端三相過電壓仿真結果如圖3所示。

由圖3的仿真曲線可知：在合閘后瞬間，A，B，C三相最高電壓分別達到774 kV（1.90 p.u.），792 kV（1.95 p.u.）和739 kV（1.81 p.u.）；B相出現的最高過電壓與理論過電壓值2.00 p.u.接近。以上結論與教材理論分析中所述的“非重合閘線路合閘時最大過電壓為2.00 p.u.，但由于回路存在能量損耗，振蕩逐漸衰減，線路電壓實際要低于2.00 p.u.”相一致，同時通過仿真可提供直觀的感性認識，有助于學生正確理解過電壓產生的機理。

4 限制空載線路合閘過電壓的措施

限制空載線路合閘過電壓的主要措施有：1） 斷路器并聯合閘電阻；2） 線路兩端裝設避雷器；3） 采用同期合閘。本文僅就前兩種措施進行仿真。

4.1 斷路器并聯合閘電阻

帶有并聯合閘電阻的斷路器接線圖如圖4所示。合閘操作時，先將輔助觸頭QF2閉合，接入的電阻R對回路中的振蕩過程起阻尼作用，因而可以降低過電壓的幅值。經過十幾毫秒后再將主觸頭QF1合上，此時R被短接，失去作用；再經幾十毫秒，斷開QF2，將R退出，完成合閘操作。整個合閘過程可分為兩個階段：第一階段，接入合閘電阻；第二階段，短接合閘電阻。第一階段中由于R對振蕩起阻尼作用，要求R值越大越好。第二階段，合閘電阻越大，振蕩過程越激烈，過電壓值也就越高，要求R值越小越好。所以一般情況下，合閘電阻取值范圍在400～1 000 Ω之間。

仿真合閘電阻取400 Ω，QF1和QF2通過時控開關實現，QF2在30.0 ms時合閘，12.0 ms后QF1合閘。采用合閘電阻時的空載合閘三相電壓變化曲線如圖5所示。

由圖5可知：A，B，C三相的空載合閘過電壓分別為517 kV（1.27 p.u.），617 kV（1.51 p.u.）和675 kV（1.63 p.u.）。與未加限制措施相比，限制過電壓的效果明顯。此處學生可以通過改變合閘電阻阻值或設置多級合閘電阻，體會過電壓幅值的變化，以更好地理解合閘電阻的作用。

4.2 采用避雷器限制過電壓

對于500 kV超高壓輸電線路，為了限制全線過電壓，需要在線路兩端接入避雷器。仿真采用的避雷器參數設定參照額定電壓為420 kV的ZnO避雷器，起始動作電壓為475 kV。采用避雷器限制空載合閘過電壓時的三相電壓變化曲線如圖6所示。

由于避雷器可以吸收過電壓的能量，在線路兩端設置避雷器后，A，B，C三相產生的合閘過電壓分別降為654 kV（1.60 p.u.），697 kV（1.70 p.u.）和659 kV（1.61 p.u.）。與之前無限壓措施相比，三相電壓分別下降了15.5%，12.0%和10.8%。在教學中，可以讓學生改變避雷器的位置，或者僅采用一臺避雷器限制過電壓，觀察限壓效果并分析原因。這樣可以充分調動學生學習的主動性，培養其分析問題的能力。

5 結論

在電力系統過電壓相關內容的教學中，可將數字化仿真作為教學輔助手段，既彌補了試驗裝置的不足，又使枯燥的理論教學變得生動形象、引人入勝，有助于提高教學效果。同時，數字化仿真可以用于科研項目的研究與開發，培養學生的創新能力和獨立思考、解決問題的能力；也可以用于畢業設計，讓學生充分理解數字仿真方法，為今后從事相關工作奠定基礎。

摘要：應用仿真軟件建立模型可作為課堂輔助教學手段，有助于提高教學效果。以合空載線路為例，采用ATP-EMTP仿真軟件建立線路過電壓模型，分別采用合閘電阻、避雷器限制過電壓，探討將數字仿真軟件應用于教學實踐的教學方法。

關鍵詞：教學方法；ATP-EMTP仿真軟件；空載線路合閘；應用

中圖分類號：TM864 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）03-0039-03

電力系統過電壓是高電壓技術課程的重要組成部分。在電力系統過電壓相關內容的教學中，將應用ATP-EMTP仿真軟件模擬過電壓產生的暫態過程，作為課堂輔助教學手段，可以提高課堂教學效率，促進學生掌握基礎理論。本文探討在教學實踐中利用數字仿真軟件建立模型的教學方法，以某500 kV架空輸電線路為例，模擬空載線路合閘過電壓的產生，并分別采用合閘電阻、避雷器限制過電壓。

1 ATP-EMTP數字仿真軟件簡介

ATP（The Alternative Transients Program）軟件用于電磁暫態分析，是電磁暫態分析程序EMTP應用得最為廣泛的一個免費版本，它包含有多個集中元件、分布參數、線性與非線性元件、依賴于頻率變化的線路、各類型開關、電力電子元件、變壓器及電機、多種類型電源等近70個原件模型，可以模擬、分析對稱或非對稱干擾（如接地、雷擊）和任何形式的開關操作，幾乎可以對任何復雜電力網絡進行穩態和暫態仿真分析。

2 500 kV合空載線路仿真模型的建立

教材中對空載線路合閘過電壓的產生機理進行了詳細敘述，但并未列出系統狀態改變產生過電壓后電壓隨時間變化的曲線，所以選用這部分內容進行仿真。仿真對象為某一電壓等級為500 kV、長度為 384 km的架空輸電線路。電源采用500 kV三相交流電，相電壓幅值為U=500/3（kV）=408.2（kV），頻率為50 Hz，電源電抗為210 Ω。輸電線路模型采用基于頻率的J.Marti模型，全線分成4段均勻換相。空載合閘過電壓原理圖及仿真模型分別如圖1和圖2所示，模型中接入3個電壓探針，分別讀取電源端、線路首端及末端的電壓值。

J.Marti輸電線路采用LCC模塊，設線路桿塔為同塔雙回路架線的直線塔。模塊中輸電線路及架空地線的參數設置分別按LGJ-500/65和JBL4-95選取：導線的內、外徑分別為1.72 cm和15.48 cm，直流電阻為0.057 6 Ω/m；架空地線的內、外徑分別為1.50 cm和6.24 cm，直流電阻為0.457 5 Ω/m。導線采用四分裂，分裂距離45 cm，大地電導率取100 Ω/m。

3 空載線路合閘仿真

空載線路的合閘仿真通過關合斷路器來實現，斷路器的關合采用三相時控開關控制，設A，B，C三相完全同期合閘，合閘時間為33.1 ms，仿真步長為0.000 01，仿真時間為0.20 s。由于容性效應，長空載線路最高電壓出現在線路末端。空載線路合閘后，過電壓波到達開路的線路末端后會發生正全反射，造成末端電壓進一步升高，線路末端的電壓為仿真時的最大電壓。這可以幫助學生理解為什么選擇線路末端讀取過電壓結果。線路末端三相過電壓仿真結果如圖3所示。

由圖3的仿真曲線可知：在合閘后瞬間，A，B，C三相最高電壓分別達到774 kV（1.90 p.u.），792 kV（1.95 p.u.）和739 kV（1.81 p.u.）；B相出現的最高過電壓與理論過電壓值2.00 p.u.接近。以上結論與教材理論分析中所述的“非重合閘線路合閘時最大過電壓為2.00 p.u.，但由于回路存在能量損耗，振蕩逐漸衰減，線路電壓實際要低于2.00 p.u.”相一致，同時通過仿真可提供直觀的感性認識，有助于學生正確理解過電壓產生的機理。

4 限制空載線路合閘過電壓的措施

限制空載線路合閘過電壓的主要措施有：1） 斷路器并聯合閘電阻；2） 線路兩端裝設避雷器；3） 采用同期合閘。本文僅就前兩種措施進行仿真。

4.1 斷路器并聯合閘電阻

帶有并聯合閘電阻的斷路器接線圖如圖4所示。合閘操作時，先將輔助觸頭QF2閉合，接入的電阻R對回路中的振蕩過程起阻尼作用，因而可以降低過電壓的幅值。經過十幾毫秒后再將主觸頭QF1合上，此時R被短接，失去作用；再經幾十毫秒，斷開QF2，將R退出，完成合閘操作。整個合閘過程可分為兩個階段：第一階段，接入合閘電阻；第二階段，短接合閘電阻。第一階段中由于R對振蕩起阻尼作用，要求R值越大越好。第二階段，合閘電阻越大，振蕩過程越激烈，過電壓值也就越高，要求R值越小越好。所以一般情況下，合閘電阻取值范圍在400～1 000 Ω之間。

仿真合閘電阻取400 Ω，QF1和QF2通過時控開關實現，QF2在30.0 ms時合閘，12.0 ms后QF1合閘。采用合閘電阻時的空載合閘三相電壓變化曲線如圖5所示。

由圖5可知：A，B，C三相的空載合閘過電壓分別為517 kV（1.27 p.u.），617 kV（1.51 p.u.）和675 kV（1.63 p.u.）。與未加限制措施相比，限制過電壓的效果明顯。此處學生可以通過改變合閘電阻阻值或設置多級合閘電阻，體會過電壓幅值的變化，以更好地理解合閘電阻的作用。

4.2 采用避雷器限制過電壓

對于500 kV超高壓輸電線路，為了限制全線過電壓，需要在線路兩端接入避雷器。仿真采用的避雷器參數設定參照額定電壓為420 kV的ZnO避雷器，起始動作電壓為475 kV。采用避雷器限制空載合閘過電壓時的三相電壓變化曲線如圖6所示。

由于避雷器可以吸收過電壓的能量，在線路兩端設置避雷器后，A，B，C三相產生的合閘過電壓分別降為654 kV（1.60 p.u.），697 kV（1.70 p.u.）和659 kV（1.61 p.u.）。與之前無限壓措施相比，三相電壓分別下降了15.5%，12.0%和10.8%。在教學中，可以讓學生改變避雷器的位置，或者僅采用一臺避雷器限制過電壓，觀察限壓效果并分析原因。這樣可以充分調動學生學習的主動性，培養其分析問題的能力。

5 結論

在電力系統過電壓相關內容的教學中，可將數字化仿真作為教學輔助手段，既彌補了試驗裝置的不足，又使枯燥的理論教學變得生動形象、引人入勝，有助于提高教學效果。同時，數字化仿真可以用于科研項目的研究與開發，培養學生的創新能力和獨立思考、解決問題的能力；也可以用于畢業設計，讓學生充分理解數字仿真方法，為今后從事相關工作奠定基礎。

摘要：應用仿真軟件建立模型可作為課堂輔助教學手段，有助于提高教學效果。以合空載線路為例，采用ATP-EMTP仿真軟件建立線路過電壓模型，分別采用合閘電阻、避雷器限制過電壓，探討將數字仿真軟件應用于教學實踐的教學方法。

關鍵詞：教學方法；ATP-EMTP仿真軟件；空載線路合閘；應用

中圖分類號：TM864 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）03-0039-03

電力系統過電壓是高電壓技術課程的重要組成部分。在電力系統過電壓相關內容的教學中，將應用ATP-EMTP仿真軟件模擬過電壓產生的暫態過程，作為課堂輔助教學手段，可以提高課堂教學效率，促進學生掌握基礎理論。本文探討在教學實踐中利用數字仿真軟件建立模型的教學方法，以某500 kV架空輸電線路為例，模擬空載線路合閘過電壓的產生，并分別采用合閘電阻、避雷器限制過電壓。

1 ATP-EMTP數字仿真軟件簡介

ATP（The Alternative Transients Program）軟件用于電磁暫態分析，是電磁暫態分析程序EMTP應用得最為廣泛的一個免費版本，它包含有多個集中元件、分布參數、線性與非線性元件、依賴于頻率變化的線路、各類型開關、電力電子元件、變壓器及電機、多種類型電源等近70個原件模型，可以模擬、分析對稱或非對稱干擾（如接地、雷擊）和任何形式的開關操作，幾乎可以對任何復雜電力網絡進行穩態和暫態仿真分析。

2 500 kV合空載線路仿真模型的建立

教材中對空載線路合閘過電壓的產生機理進行了詳細敘述，但并未列出系統狀態改變產生過電壓后電壓隨時間變化的曲線，所以選用這部分內容進行仿真。仿真對象為某一電壓等級為500 kV、長度為 384 km的架空輸電線路。電源采用500 kV三相交流電，相電壓幅值為U=500/3（kV）=408.2（kV），頻率為50 Hz，電源電抗為210 Ω。輸電線路模型采用基于頻率的J.Marti模型，全線分成4段均勻換相。空載合閘過電壓原理圖及仿真模型分別如圖1和圖2所示，模型中接入3個電壓探針，分別讀取電源端、線路首端及末端的電壓值。

J.Marti輸電線路采用LCC模塊，設線路桿塔為同塔雙回路架線的直線塔。模塊中輸電線路及架空地線的參數設置分別按LGJ-500/65和JBL4-95選取：導線的內、外徑分別為1.72 cm和15.48 cm，直流電阻為0.057 6 Ω/m；架空地線的內、外徑分別為1.50 cm和6.24 cm，直流電阻為0.457 5 Ω/m。導線采用四分裂，分裂距離45 cm，大地電導率取100 Ω/m。

3 空載線路合閘仿真

空載線路的合閘仿真通過關合斷路器來實現，斷路器的關合采用三相時控開關控制，設A，B，C三相完全同期合閘，合閘時間為33.1 ms，仿真步長為0.000 01，仿真時間為0.20 s。由于容性效應，長空載線路最高電壓出現在線路末端。空載線路合閘后，過電壓波到達開路的線路末端后會發生正全反射，造成末端電壓進一步升高，線路末端的電壓為仿真時的最大電壓。這可以幫助學生理解為什么選擇線路末端讀取過電壓結果。線路末端三相過電壓仿真結果如圖3所示。

由圖3的仿真曲線可知：在合閘后瞬間，A，B，C三相最高電壓分別達到774 kV（1.90 p.u.），792 kV（1.95 p.u.）和739 kV（1.81 p.u.）；B相出現的最高過電壓與理論過電壓值2.00 p.u.接近。以上結論與教材理論分析中所述的“非重合閘線路合閘時最大過電壓為2.00 p.u.，但由于回路存在能量損耗，振蕩逐漸衰減，線路電壓實際要低于2.00 p.u.”相一致，同時通過仿真可提供直觀的感性認識，有助于學生正確理解過電壓產生的機理。

4 限制空載線路合閘過電壓的措施

限制空載線路合閘過電壓的主要措施有：1） 斷路器并聯合閘電阻；2） 線路兩端裝設避雷器；3） 采用同期合閘。本文僅就前兩種措施進行仿真。

4.1 斷路器并聯合閘電阻

帶有并聯合閘電阻的斷路器接線圖如圖4所示。合閘操作時，先將輔助觸頭QF2閉合，接入的電阻R對回路中的振蕩過程起阻尼作用，因而可以降低過電壓的幅值。經過十幾毫秒后再將主觸頭QF1合上，此時R被短接，失去作用；再經幾十毫秒，斷開QF2，將R退出，完成合閘操作。整個合閘過程可分為兩個階段：第一階段，接入合閘電阻；第二階段，短接合閘電阻。第一階段中由于R對振蕩起阻尼作用，要求R值越大越好。第二階段，合閘電阻越大，振蕩過程越激烈，過電壓值也就越高，要求R值越小越好。所以一般情況下，合閘電阻取值范圍在400～1 000 Ω之間。

仿真合閘電阻取400 Ω，QF1和QF2通過時控開關實現，QF2在30.0 ms時合閘，12.0 ms后QF1合閘。采用合閘電阻時的空載合閘三相電壓變化曲線如圖5所示。

由圖5可知：A，B，C三相的空載合閘過電壓分別為517 kV（1.27 p.u.），617 kV（1.51 p.u.）和675 kV（1.63 p.u.）。與未加限制措施相比，限制過電壓的效果明顯。此處學生可以通過改變合閘電阻阻值或設置多級合閘電阻，體會過電壓幅值的變化，以更好地理解合閘電阻的作用。

4.2 采用避雷器限制過電壓

對于500 kV超高壓輸電線路，為了限制全線過電壓，需要在線路兩端接入避雷器。仿真采用的避雷器參數設定參照額定電壓為420 kV的ZnO避雷器，起始動作電壓為475 kV。采用避雷器限制空載合閘過電壓時的三相電壓變化曲線如圖6所示。

由于避雷器可以吸收過電壓的能量，在線路兩端設置避雷器后，A，B，C三相產生的合閘過電壓分別降為654 kV（1.60 p.u.），697 kV（1.70 p.u.）和659 kV（1.61 p.u.）。與之前無限壓措施相比，三相電壓分別下降了15.5%，12.0%和10.8%。在教學中，可以讓學生改變避雷器的位置，或者僅采用一臺避雷器限制過電壓，觀察限壓效果并分析原因。這樣可以充分調動學生學習的主動性，培養其分析問題的能力。

5 結論

在電力系統過電壓相關內容的教學中，可將數字化仿真作為教學輔助手段，既彌補了試驗裝置的不足，又使枯燥的理論教學變得生動形象、引人入勝，有助于提高教學效果。同時，數字化仿真可以用于科研項目的研究與開發，培養學生的創新能力和獨立思考、解決問題的能力；也可以用于畢業設計，讓學生充分理解數字仿真方法，為今后從事相關工作奠定基礎。