EMTP在線路防雷中的應用

王祎菲

（國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006）

EMTP在線路防雷中的應用

王祎菲

（國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006）

EMTP是具有強大電磁暫態計算能力的仿真軟件，應用該軟件中的集中參數電阻、多相分布參數的輸電線路、合適的開關及電源等元件，根據500 kV輸電線路中典型塔型相關數據，準確建立雷擊桿塔模型，并對其進行計算分析，找到線路防雷保護存在的問題，進行適當的調整，保障輸電線路的可靠運行及電力系統的穩定安全。

EMTP；輸電線路；雷電防護

隨著電力事業的迅猛發展，高壓輸電成為發展的必然趨勢。由于大氣環境日益惡劣，雷電災害更加普遍。當發生嚴重的雷擊高壓輸電線路事故時，將引發線路跳閘，導致大范圍停電，影響工業生產及人民生活，造成巨大的經濟損失，甚至會威脅人身安全［1－2］。因此，對輸電線路遭受雷擊進行準確的仿真模擬，找出防雷保護的薄弱環節，并進行合理有效地改造，可提高線路的防雷性能。

1 電磁暫態仿真軟件

1968年美國伯尼維爾電力管理局的加拿大哥倫比亞大學教授Dommel編制了最初的約有5 000條語句的電磁暫態計算程序EMIP（Electro Magnetic Transient Program）。EMTP是以線路防雷計算中的Bergeron數學模型為基礎，利用求解集中參數電路暫態過程的梯形法和求解分布參數線路波過程的特征線法相結合的數值計算方法編制的大型應用程序。經過工程技術人員十多年的不斷開發和在許多國家長期實際應用中的反復修改，目前的語句數量已多達數萬條，并發展出了卡片輸入方式。這些應用的開發，為電力系統的設計、運行及科研工作提供了可靠依據［3－4］。

對象［5］。本文應用EMTP 5.0軟件由Borland Delphi 2007語言編寫，可在Windows 9x／NT／2000／XP／Vista和LINUX系統下運行。該程序有標準的視窗平臺，目前大約支持100個標準組件和60個TACS使用者可根據相應的需要進行選擇，有一些組件是程序中已有的定義，還有一些可根據需要自己定義，通過所有組件進行組合搭建所需要模擬的電路模型。程序將自動給電路各支路的節點命名，使用者也可根據需要對一些特別的重要節點自行命名。運算時需要的EMTP輸入文件會由處理器自動生成。因此，基于圖形化的平臺使應用EMTP進行電磁暫態分析計算極其方便和準確。

2 輸電線路雷電暫態模型的建立

500 kV高壓輸電線路大多是同塔雙回輸電，由于電壓等級高，導致桿塔高度相對更高，且檔距相對更遠，因此，更易發生雷擊事故［6－7］。現選取典型的SZK雙回路塔為例進行模擬計算（如圖1所示），桿塔左側為正相序，右側為逆相序排列。

圖1 SZK型塔及參數

2.1 桿塔塔頂過電壓

桿塔塔頂過電壓主要包含雷電過電壓、感應過電壓、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，負極性。

當雷電流擊中塔頂時，導線將產生感應過電壓。

式中I——流過電流的幅值，kA；

hc——導線相對地面的平均高度，m；

hg——避雷線相對地面的平均高度，m；k0——避雷線和導線間的耦合系數。

對于工頻電壓的影響，由于工頻電壓隨著時間的變化和每相相角的不同而不同，為了計算簡便且從嚴考慮，本文選取以來進行計算，Um為工頻電壓的峰值［9－10］，該數值較實際情況偏大。

由于電暈實際是在消耗雷電流過電壓的能量，本文忽略電暈的影響。

2.2 絕緣子串閃絡模型

一些西歐國家常采用相交法作為絕緣子串閃絡的判據（如圖2所示），t1時刻絕緣子串上的過電壓幅值較高，而在t2時刻絕緣子串上的過電壓曲線與絕緣子串的伏秒特性曲線相交，即為閃絡時刻［11］。經運行經驗驗證，相交法所得的結果與實際情況基本符合。

圖2 絕緣子串閃絡時刻的判定

根據絕緣子串閃絡的特點，可運用EMTP中的TACS子程序進行模擬，主要元件有：傳遞函數塊G（s）、模擬時間的TIMEX和模擬電壓的單位電壓源UNITY＝1.0兩個內部信號源、FORTRAN運算符和函數及部分DEVICES裝置［12］。

3 計算結果分析

通過計算得到各相電流波形如圖3所示，橫坐標為雷電流在桿塔上的通流時間，縱坐標為雷電流幅值。由圖3可以看出，當雷擊桿塔塔頂時，左右兩側最下面一相發生了閃絡，其余各相安全，且未閃絡的4相中，越靠近桿塔塔頂的相，電流幅值越高。

圖3 雷擊時各相上電流值

3.1 接地電阻對防雷性能的影響

在其余計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，對比各相絕緣子電壓幅值，結果如表1所示。

表1 接地電阻對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 避雷器對防雷性能的影響

在線路左右兩側各加裝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 結束語

輸電線路防雷性能對整個電力系統的安全運行具有重要意義，運用仿真軟件進行電磁暫態仿真計算可以更好地掌握線路防雷性能。通過運用國際通用的EMTP軟件對500 kV輸電線路中的典型桿塔進行雷擊模擬運算，發現在高強度雷電流的作用下，線路的安全運行存在極大隱患，通過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。

［1］ 舒印彪.我國特高壓輸電的發展與實施［J］.中國電力，2005，38（1）：1－8.

［2］ 谷定燮.500 kV輸變電工程設計中雷電過電壓問題［J］.高電壓技術，2000，26（6）：60－62.

［3］ A.Ametani，T.Kawamura.A Method of a Lightning Surge A?nalysis Recommended in Japan Using EMTP［J］.IEEE Trans?actions on Power Delivery，2005，20（2）：867－875.

［4］ Claus Leth Bak，Kristin Erla Einarsdóttir，Einar Andresson. Overvoltage Protection of Large Power Transformers－A Real Life Study Casere［J］.IEEE Transacion on Power Delivery，2008，23（2）：657－666.

［5］ 曹祥麟.EMTP在特高壓交流輸電研究中的應用［J］.高電壓技術，2006，32（7）：64－68.

［6］ 李長旭.輸電線路防雷性能研究［D］.吉林：東北電力大學，2008.

［7］ 呂忠華，張宏宇，張孝強.遼寧地區輸電線路設計中存在的共性問題及防治措施分析［J］.東北電力技術，2014，35（4）：50－52.

［8］ 林韶文，黃群古，曾益民.多雷區輸電線路及變電站防雷保護［J］.高電壓技術，2003，29（5）：17－18，57.

［9］ 張志勁.500 kV同桿雙回輸電線路耐雷性能研究［D］.重慶：重慶大學，2002.

［10］ 周大東，王東燁，凌立平.超高壓輸電線路參數變頻測量技術的研究和應用［J］.東北電力技術，2010，31（10）：31－34.

［11］ J.Bajorek，M.Korzeniowski，G.MasΙowski.Modeling of Nonlinear Elements During Lightning Overvoltage Simulations［J］.High Voltage Engineering，2008，34（12）：2 595－2 601.

［12］ 吳建軍，朱 欽.高壓架空輸電線路零序阻抗測量及計算方法的改進［J］.東北電力技術，2010，31（2）：25－28.

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，從事高壓開關試驗、高電壓與絕緣研究工作。

2015－10－10）