基于EMTP的氧化鋅避雷器的選型方法

童干，汪旭旭,鄭武略,李昊

(1.南方電網超高壓輸電公司貴陽局,貴州　貴陽　550000；2.國家電網公司直流建設分公司，北京　100032；3.中國南方電網超高壓輸電公司廣州局,廣東　廣州　510663；4.廣州供電局有限公司,廣東　廣州　510000)

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基于EMTP的氧化鋅避雷器的選型方法

童干1，汪旭旭2,鄭武略3,李昊4

(1.南方電網超高壓輸電公司貴陽局,貴州貴陽550000；2.國家電網公司直流建設分公司，北京100032；3.中國南方電網超高壓輸電公司廣州局,廣東廣州510663；4.廣州供電局有限公司,廣東廣州510000)

氧化鋅避雷器的準確選擇，能夠確保電力系統的可靠運行。介紹了氧化鋅避雷器的防雷機理，利用EMTP軟件建立了氧化鋅避雷器的仿真模型，并結合M1、M2兩種型號仿真分析了電纜護套的雷電過電壓特性，得出了選型結果，為氧化鋅避雷器的選型提供了參考。

架空線路；氧化鋅避雷器；EMTP；選型方法

1　引言

當架空線導線遭受雷擊發生或引起輸電線路絕緣子串發生閃絡，雷電就會沿著架空線路侵入電纜，由于電纜線路內部不連續的波阻抗，雷電波就會在電纜中發生多次折射和反射，而且電纜內部芯線和電纜護套之間會產生很強的耦合效應，電纜護套和電纜導體之間較高的電壓差就極易導致電纜發生絕緣擊穿現象，嚴重危及電纜的壽命和電力系統的安全運行。

我國DL/T401《高壓電纜選用導則》中規定了電纜護套在不同雷電強度下雷電沖擊耐受電壓[1]，它們規定的值如表1所示。

根據導則規定，要求電纜外護套的雷電沖擊不能大于表1的值，外護套雷電沖擊耐受電壓值應不小于37.5kV和47.5kV[1]。為了保護電纜的安全運行，必須選擇保護性能合適的避雷器。因此，本文給出了一種基于EMTP軟件仿真計算氧化鋅避雷器雷電過電壓特性的方法，為避雷器的選型工作提供了參考。

表1　電纜護套雷電沖擊電壓耐受值

2　氧化鋅避雷器及EMTP概述

2.1氧化鋅避雷器防雷原理[2]

避雷器能夠在架空線路或是電纜遭受雷擊過電壓及操作過電壓時分流以保護設備免受過電壓損傷甚至損壞。類似于架空線路的招弧角，避雷器作為一種間隙能夠提供線路或是設備的絕緣薄弱處，該薄弱處被擊穿時的電壓要低于架空線路或是受保護設備的雷擊絕緣水平，但是高于線路或是設備的額定運行電壓，因此在遭受過電壓時，避雷器將首先被擊穿而導泄雷電流入地，進而起到防雷作用。接地電阻的存在，會影響輸電線路的防雷效果。接地電阻較大時會引起反擊，因此針對接地電阻較大的地區，一般是山區而非平原地區，需要采取一定的措施降低接地電阻，以便雷電流交易泄導入地。這些措施包括增大接地線與地的接觸面積、使用降阻劑等。但是接地線加長反而增大了電感，此時感應的暫態量反加至桿塔，過高時仍會引起閃絡，降低架空線路耐雷水平，此時應用氧化鋅避雷器的鉗電位原理，就可以削弱接地電阻對防雷的影響。

2.2EMTP概述

利用理論計算或是仿真方法實現對雷擊等故障及操作后出現的暫態過電壓、電流進行分析和計算，是電磁暫態過程分析的目的[3-5]。以便對電力系統的絕緣保護等提供參考和依據。

數值計算方法比較常用的是建立在流動波基礎上，一般存在兩種類型：其一是比優利(Bewley)的Grid method(網格法)，該方法一般利用等值線段來代替電感L和電容C；其二是泊杰龍(Bergeron)的Characteristic line method(特征線法)。雖然這些方法的基本原理很早就已經提出，但是應用在復雜網絡中的暫態計算，因為用人工計算很費時間，所以只在廣泛使用電子計算機依賴，才在工程計算中被大量采用。第二種方法經過Domel的研究分析，并對其進行補充完善，形成了如今被國際學術界廣泛采用的理論計算算法。此后，在該理論計算方法之上，BPA(美國電力局)及UBC(哥倫比亞大學)借助迅速發展的電子計算機技術對其進一步分析和研究，并研究得出了如今被廣泛應用的EMTP計算機軟件。EMTP的計算精度經過了IEEE和GIGRE等國際權威組織的認定，因此計算結果的可信度很高。

電磁暫態分析程序EMTP(Electro-Magnetic Transients Program)是國際公認的電力系統電磁暫態分析的標準程序。ATP-EMTP是BPA的Scott-Meyer以自己的業余時間和資金開發的BPA-EMTP的替代程序，ATP-EMTP堅持無償提供的原則，在全世界擁有最多的用戶，是目前國際上主流版本的EMTP的替代程序，DCG-EMTP是1981年成立的DCG(EMTP合作開發組織)開發的EMTP版本，需有償使用。EMTP擁有豐富的電路原件和強大的分析功能，可以用于電力系統的穩態和暫態分析。

3　氧化鋅避雷器的EMTP選型法

3.1氧化鋅避雷器仿真模型的建立

MOA(氧化鋅避雷器)一般安裝在輸電線路或是電力纜線接頭處，借其保護線路及其后接設備。動態伏安特性模型以一貫采用的靜態伏安特性為基礎，著眼于靜態特性和動態特性的電壓差，這個電壓差特性附加到原來的靜態伏安特性上。即將與ZnO原件高度對應的線型電感(按考慮)、模擬靜態福安特性曲線電阻及模擬上述電壓差的電壓源串連在一起，圖1所示。

圖1　動態伏安特性模型

這個電壓源Un用指數函數近似表示電壓差與能量吸收率的關系[6]。這里將時刻t為止吸收能量的平均值E/t和時刻t的功率ΔE/Δt之比定義為能量吸收率。例如，對應1/2.5μs、5kA電流的電壓差-能量吸收率特性可用以下兩個指數函數近似表示。

Un=1521·e-0.4753x(x≤2.2086)

Un=982·e-0.2777x(x≤2.2086)

式中：x為能量吸收率×lg(t×108)。

避雷器的選擇是防雷保護中的關鍵點，選用合適的避雷器能夠很大程度上的減少雷電對線路的損害。本文在選擇氧化性避雷器進行EMTP仿真計算時，選用了兩種不同類型的金屬MOA(氧化鋅避雷器)。兩種型號分別為M1、M2。這兩種氧化鋅避雷器的參數設置和避雷器的非線性特性曲線如圖2和圖3所示。

3.2選用M1避雷器時電纜護套雷電過電壓特性

電纜金屬護套首端接地，設置電纜長度1500m，電纜埋在地下采用三角形排列方式，土壤電阻率為20ohmm，線路末端負荷阻抗為316，選用M1氧化鋅避雷器，仿真模型如圖2 所示，仿真運行步長設為5E-9,計算終止時間0.00025s,仿真運行，可得到金屬護套過電壓波形如圖4所示。

3.3采用M2避雷器時電纜護套雷電過電壓特性

電纜金屬護套首端接地，在其他模型參數不變的情況下，選用M2氧化鋅避雷器，仿真模型如圖3所示，仿真運行，可得到金屬護套過電壓波形如圖5所示。

圖2　M2氧化鋅避雷器

圖3　M2氧化鋅避雷器

圖4　選用M2避雷器時金屬護套過電壓

圖5　選用M2避雷器時金屬護套過電壓

從圖4中可以看出，選用M1避雷器時，電纜金屬護套過電壓的最大值為12.5kV；從圖5中可以看出，選用M2避雷器時，電纜金屬護套過電壓的最大值為59.0kV。根據表1限值可知，仿真分析中電纜金屬護套過電壓值為12.5 kV的線路比較安全，因此，選用M1避雷器比較合理。

4　總結

本文通過EMTP軟件建立了氧化鋅避雷器仿真模型，得出了避雷器的非線性特性，并利用EMTP仿真分析的方法對比了兩種型號M1、M2氧化鋅避雷器防雷效果，結果表明：(1)在同等外設條件下，選用M1型號氧化鋅避雷器的防雷效果較合理；(2)利用EMTP的仿真方法有別于規程法，該方法能夠直觀具體的展示防雷效果，為氧化鋅避雷器的選型提供了參考。

[1]中華人民共和國國家經濟貿易委員會.DL/T 401-2002，高壓電纜選用導則[S].北京：中國電力出版社，2002.

[2]胡習凱.基于集膚效應的氧化鋅避雷器故障分析[D].南寧：廣西大學，2014.

[3]曹珍崇，楊學昌.電纜配電網操作過電壓的計算與分析[J]. 清華大學學報(自然科學版)，2007，47(4):466-469.

[4]陳政，康義,馬怡情.廣東—海南500kV交流跨海聯網工程無功補償及電磁暫態研究[J]. 電網技術，2009，33(19):143-147.

[5]王曉彤，林集明，等.廣州—海南500kV海底電纜輸電系統電磁暫態研究[J]. 電網技術，2008，32(12):6-11.

[6]千濤.微電子設備的防雷及過電壓保護[J].電瓷避雷器，2003，18(6)：27-29.

The Selection Method of the Zine Oxide Arrester Based on EMTP

TONG Gan1,WANG Xu-xu2，ZHENG Wu-lve3，LI Hao4

(1.Guiyang Bureau of CSG EHV Power Transmission Company,Guiyang 550000,China;2.DC Construction Branch of State Grid Corporation，Beijing 100032，China;3.Guangzhou Bureau of CSG EHV Power Transmission Company,Guangzhou 510663,China;4.Guangzhou Power Supply Bureau Ltd.,Guangzhou 510000,China)

The accurate selection of MOA can be possible to ensure the reliable operation of the power system.The Lightning mechanism of MOA and the MOA Simulation Model made by EMTP is showed in this paper.The selection results is obtained by the simulation of lightning over-voltage characteristics of the cable sheath combining with M1/ M2 two models.It can provide a reference for the MOA Selection.

overhead lines;MOA;EMTP;selection method

1004-289X(2016)01-0075-04

TM8

B

2015-08-12

童干(1989-)，男，湖北黃岡人，電氣工程及其自動化本科學歷，助理工程師，主要研究方向為超高壓輸電線路的運行檢修與維護技術研究與應用；

汪旭旭(1988-)，男，湖北遠安人，電氣工程碩士，助理工程師，主要研究方向為特高壓直流輸電技術研究與應用、特高壓直流工程施工管理等；

鄭武略(1987-)，男，湖北五峰人，大學本科，助理工程師，主要從事輸電線路運行維護工作。