ATP-EMTP

針對變電所遭受雷擊時接地網中地電位分布不均的問題， 運用 ATP-EMTP 軟體仿真分析地網上雷電暫態電位分布情況。 根據實際接地網搭建的接地體的數學模型， 增加垂直接地體對於接地網的設計和鋪設上能解決地電位均衡問題, 改善衝擊電位分布, 改善工頻大電流入地時的地電位分布, 防止局部電位升高。 通過改變土壤電阻率和接地網孔大小， 分析地電位的變化規律， 總結兩種防護措施的情況， 為改進地電位防護措施提供一定參考。

基本介紹

• 中文名：ATP-EMTP
• 外文名：ATP-EMTP

模型

1.1 接地體數學模型

　採用雙型等效電路表示接地體單元，模型由對地電導 G0， 對地電容 C0， 自感 LP0 和互感 Mp0k0
構成。由於雷電流的高頻特性，接地體電阻遠小於電感，所以忽略不計。對交叉平行的接地體之間的互感可以忽略不計，相互垂直的接地體之間的互感為零。得到單位長度的接地體單元數學模型中各參數計算公式下圖所示。

單位長度的接地體單元數學模型

1.2 ATP 接地體單元模型
為減少相鄰接地體的禁止作用，根據《電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗收規範》，水平接地體的間距應符合設計規定,當無設計規定時不宜小於 5 m。而當兩接地體間距達到 10 m 及以上時， 互感為自感 5%以下，可忽略不計。 因此在該 ATP 模型中只考慮相鄰的平行的接地體之間存在的互感。根據數學模型建立單根接地體的 ATP 模型下圖所示。

接地體單元 ATP 模型

仿真分析

根據變電站實際地網鋪設情況，用接地單元格線模型搭建 4×4 的局部接地網。 本文中，各參數取值如下：接地體等效半徑 r=0.116 m，埋深 h=0.8m，土壤相對介電常數 εr=5。

2.1 土壤電阻率對地網電位的影響
根據《接地系統的土壤電阻率、接地阻抗和地面電位測量導則》，筆者主要研究常見土壤電阻率下的地電位防護措施效果。採用的格線大小，雷電流用雙指數函式模擬。 在點 1 注入波頭時間為，波長，幅值的雷電流， 測量 1、2 和 4 點在不同土壤電阻率下的衝擊電壓。 作出 300 Ω·m 下的波形；記錄不同電阻率下 1、2、4 點的電壓峰值；並做出電壓峰值與電阻率的變化曲線。

入地網時，點 1 的電壓最大，點 2 次之，點 4 最小，這是由於地網散流的結果，遠離雷電流注入點衝擊電壓減小； 各點電壓峰值隨著土壤電阻率的增大而增大；根據數據計算得各點的電壓峰值隨電阻率的變化率比較大， 電阻率從 300 Ω · m 增大到 3 000 Ω · m時，點 1 的電位變化率達到 3.38%，點 2 為 2.38%，點4 為 2.20%。 電阻率的大小直接影響到接地電阻的大小，接地電阻與電阻率成線性關係。 接地電阻越大，越影響地網流效果。 當變化率很大的雷電流進入地網時，形成時間極短的暫態過程，引起很大的衝擊電壓。 所以，通過降低電阻率從而減小接地電阻對於防護地電位干擾作用具有很好的效果。

2.2 格線大小對地網電位的影響
研究格線大小對地電位干擾的影響時， 通過在不同土壤電阻率下， 改變格線大小研究其地電位防護效果。 雷電流用雙指數函式 I（t）=Im（e-αt-e-βt）模擬，格線都是方形的。 在點 1 注入波頭時間為 2.6 μs，波長 50 μs，幅值 10 kA 的雷電流，測量點 1、點 2 和點4 在不同邊長的格線下的電壓。

採用 ATP 仿真軟體，建模分析了改變電阻率和格線大小對地電位的影響，得出：
（1）地網節點電壓隨土壤電阻率的增大而不斷增大，且變化率較大。
（2）地網節點電壓隨著格線的增大而逐漸減小，但變化率較小。
通過上述結論可以得出，改變減小電阻率和增大格線大小都可以降低接地電阻的大小，起到降低地電位的作用， 從而起到防護地電位干擾的作用。通過改變電阻率大小起到的防護效果比改變格線大小要顯著。 因此，在實際中，可以主要採取減小電阻率，同時在滿足設計要求的前提下，適當增大格線大小以減小地網電位的干擾作用。

套用

當變電站遭受雷擊時， 雷電流由接地引線注入地網，使地網節點間產生很高的電位差，可引起設備二次干擾導致誤動作或不動作， 甚至造成損壞。 對於雷電流在地網上產生的干擾作用，目前採用的主要防護的措施有： 降低接地網的接地電阻；採用方孔地網改善地電位分布；等電位連線；金屬禁止接地。

降低接地網接地電阻主要是減小土壤電阻率，通過ATP-EMTP仿真軟體，分析地網衝擊電壓隨電阻率改變的變化規律，得出改變電阻率對地網電位防護的效果；還通過改變方孔地網的大小，分析地網電位的變化規律，得出改變網孔大小對地電位的防護效果。

發展趨勢

精確的元件模型和參數是系統暫態仿真可信度的重要保證。一方面,隨著電力電子技術例如高壓直流輸電(HVDC)和靈活交流輸電系統(FACT)S元件在電力系統中的廣泛使用,有必要考慮它們的快速暫態特性對系統機電暫態特性的影響。另一方面,氧化鋅避雷器(MOV)等非線性元件引起的波形畸變在精確仿真時也不容忽視。另外,不換位的同桿並架線路使電網處於不平衡運行狀態,干擾了鄰近發電機的正常運行。因此,傳統的機電暫態仿真程式對此類元件採用準穩態相量模型的做法已難以適應現代電力系統仿真的要求,有必要尋找新的解決途徑。

EMTP程式主要用於模擬計算電力系統的電磁暫態過程,ATP是EMTP的一個版本。ATP一EMTP程式具有規模大功能強、模擬真實等優點,目前在我國高等學校、科研、設計和製造等部門都得到了廣泛套用。程式可以求解包括集中參數的線性和非線性電阻、電感、電容電路,多相7r型電路,多相分布參數電路,各種類型的開關、變壓器、源和控制系統等組成的大型電力系統的穩態或暫態過程。另外，ATP一EMTP程式也廣泛套用於電力電子領域的仿真計算。

目前關於用EMTP進行電力系統電磁暫態仿真計算的研究主要集中在以下4個方面:

l)詳細的元件建模和控制,網路採用高度簡化的模型；

2)EMTP在過電壓計算中的套用,網路規模幾十個節點;

3)在繼電保護分析中的套用;

4)EMTP控制系統和潮流計算的改進。

這些研究均未涉及套用EMTP進行大型電力系統的潮流計算和暫態穩定計算。在江蘇電力試驗研究院大力支持下,開展了此項研究。通過對江蘇蘇北電網進行ATP一EMTP暫態穩定仿真計算的實踐,比較分析用ATP一EMTP進行大系統暫態穩定計算的必要性和可行性。