ATP在分析電力系統過電壓等方面的應用研究

張弘 黃志先

摘 要

ATP-EMTP廣泛應用于電力系統過電壓分析、絕緣配合、諧波研究以及保護模擬。主要是將分布參數元件采用特性法轉化為集中參數分析計算，計算結果可以是模型各元件相關量。本文研究了ATP仿真軟件在分析雷電過電壓、操作過電壓、暫態過電壓等方面的應用。在研究和工程領域應用廣泛，發揮重要作用。

關鍵詞

ATP;應用;電力系統;過電壓

中圖分類號： TM862-4;G642 ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： 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是世界范圍內使用非常廣泛的電磁暫態仿真程序，主要用于模擬計算電力系統的電磁暫態過程，ATP可以說是EMTP中的一個使用相對普遍的版本。ATP可將分布參數元件轉化為集中參數元件求解，典型元件包括集中參數的線性和非線性電阻、電感、電容電路，π型電路，多相分布參數的輸電線路，各種類型的開關、變壓器等。故除了在電力工程中應用外，還用于教學、科研領域。ATP雖然也還因為開發時間、編譯器、應用平臺等原因有不同的幾個版本，但各版本之間區別不算太大。

下面談談ATP在分析電力系統過電壓等方面的應用。

1 用于分析雷擊過電壓

電力網中輸電線路經常遭受雷擊，如果在進線段遭受雷擊，還可能會產生行波侵入變電站，對站內電氣設備造成過電壓危害，所以對輸電線路進線段進行過電壓分析能評價原有防雷措施性能，并可對其給予指導性意見。

一般方法是，可以先確定雷電流波形和雷電流幅值的概率，根據防雷保護規程取值即可，主要參數包括波形、波頭和半峰值時間，可按具體項目要求選擇極性、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π型電路、無損分布參數電路、無畸變分布參數電路、帶集中電阻的分布參數電路或者具有頻率相關參數的分布參數電路來模擬架空線路和電纜。了解到使用最多的是常規π型電路、無損分布參數電路、帶集中電阻的分布參數電路以及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，架空地線的數量，同塔幾回線等等。這些可以根據具體項目進行選擇;接下來可進行桿塔建模，多波阻抗模型與單波阻抗模型，桿塔參數主要是類型、材料參數、高度、沖擊接地電阻，有避雷線的一般還考慮避雷線與導線將桿塔分為多段，故也有用單相分布參數線路模擬桿塔;具體項目還要區分電纜還是架空線;然后是絕緣子串模型，可將其簡化等效為可控開關，一般將其可控導通電壓設置為50%沖擊放電電壓即可;也有根據其伏秒特性建立模型的。

在仿真模型中錄入參數，一般按照雷擊點計算各種雷擊情況;計算結果一般可表明，當遭受何種雷擊時，過電壓數值最高;進一步可分析在何種運行方式下，站內設備過電壓最高再根據仿真計算結果評價雷害及防雷效果，提出防雷指導建議。也可以根據某次雷擊記錄進行事故分析。

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

2 用于分析操作過電壓

電力系統中的斷路器操作或因系統故障引起的過電壓則為操作過電壓。引起操作過電壓的原因歸根到底是斷路器狀態改變，但是引起斷路器的分合閘的原因就很多了，也較復雜;一般來說可以單純探討其中一種原因，以使問題易于分析。對于避雷器通流能力的確定、電氣設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，操作過電壓占了相對主要的作用。

應用ATP仿真分析的一般方法，首先是把分布參數的線路用集中參數建模，利用ATP軟件選擇元件畫出仿真圖，輸入參數，仿真電路是可以根據實際情況配置電源內阻和電感，對于斷路器模型則將開關的閉合和斷開過程理想化，一般就采用時控開關模型來模擬斷路器各相合閘的同期性，時控開關則可以控制三相電路各相接通時間。根據開關不同時刻合閘的，分別啟動輸電線路仿真過程;設定仿真時間與步長，然后即可分為三相不同期、三相同期、斷口加裝并聯電阻或電抗等多種情況進行仿真計算，通過設置開關的斷開時間來在不同截流時切斷并聯電抗器過電壓。計算結果的對比可看出各相過電壓的幅值及出現時刻，還可以驗證并聯電阻或電抗器對限制過電壓的效果。

經過仿真運算，可以從分析結果中看出在線路末端加裝并聯電抗器或合閘電阻后，確實可以降低工頻穩態電壓，限制合閘過電壓，而且其振蕩衰減時間也有明顯縮短，不過嚴重時的過電壓仍有可能對電力系統中的設備和線路的絕緣帶來破壞。

3 用于分析計算暫時過電

暫時過電壓一般指包括工頻電壓升高以及諧振過電壓，其中的工頻電壓升高對于超高壓電力系統的絕緣水平的確定騎著決定性作用，雖然一般來說對220kV以下系統危害不大，但對設備絕緣終究是有影響的，而且還會產生過電流，所以對這種現象的仿真分析也具有意義。

ATP軟件可以對低壓系統的如10kV系統PT繞組故障仿真分析，可以對中性點消弧線圈上的電壓規律進行分析。

4 用于分析接地措施效果

對于變電站接地網的設計、施工，可以事先或改造前，根據主地網的設計圖紙，搭建仿真模型，電路參數的設置可以根據需要，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電壓效果則設置為沖擊電源，具體等效電路模型可參考下圖，通過仿真測試可計算得到接地電阻值以及接地網電流，從而可以評價接地措施的效果。

5 用于判別電纜故障

根據配網自身網絡結構的特點，使用ATP仿真建模，可以驗證，施加特定的信號，通過比對完好相和故障相的低壓脈沖反射波形，對多分支配網電纜的一些典型故障，如開路故障，可以實現比較準確的判定與測距。所以，利用仿真的手段，尋求與驗證一種對于配網經常發生的單相故障判別方法具有應用意義。

ATP在電力工程領域中，既能在變電站、輸電線路設計環節，先對其進行仿真分析，確定絕緣、防雷設計方案，也能對已建成變電站、輸電線路的防雷措施、限制過電壓措施進行分析評價。ATP不僅在工程領域得到廣泛有效的應用，在教學、科研領域也可發揮出很大作用。

參考文獻

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