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(wǎng)超高壓輸電公司貴陽局,貴州　貴陽　550000；2.國家電網(wǎng)公司直流建設(shè)分公司，北京　100032；3.中國南方電網(wǎng)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(wǎng)超高壓輸電公司貴陽局,貴州貴陽550000；2.國家電網(wǎng)公司直流建設(shè)分公司，北京100032；3.中國南方電網(wǎng)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(zhǔn)確選擇，能夠確保電力系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。介紹了氧化鋅避雷器的防雷機(jī)理，利用EMTP軟件建立了氧化鋅避雷器的仿真模型，并結(jié)合M1、M2兩種型號(hào)仿真分析了電纜護(hù)套的雷電過電壓特性，得出了選型結(jié)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(dāng)架空線導(dǎo)線遭受雷擊發(fā)生或引起輸電線路絕緣子串發(fā)生閃絡(luò)，雷電就會(huì)沿著架空線路侵入電纜，由于電纜線路內(nèi)部不連續(xù)的波阻抗，雷電波就會(huì)在電纜中發(fā)生多次折射和反射，而且電纜內(nèi)部芯線和電纜護(hù)套之間會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的耦合效應(yīng)，電纜護(hù)套和電纜導(dǎo)體之間較高的電壓差就極易導(dǎo)致電纜發(fā)生絕緣擊穿現(xiàn)象，嚴(yán)重危及電纜的壽命和電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

我國DL/T401《高壓電纜選用導(dǎo)則》中規(guī)定了電纜護(hù)套在不同雷電強(qiáng)度下雷電沖擊耐受電壓[1]，它們規(guī)定的值如表1所示。

根據(jù)導(dǎo)則規(guī)定，要求電纜外護(hù)套的雷電沖擊不能大于表1的值，外護(hù)套雷電沖擊耐受電壓值應(yīng)不小于37.5kV和47.5kV[1]。為了保護(hù)電纜的安全運(yùn)行，必須選擇保護(hù)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(jì)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(hù)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(shí)分流以保護(hù)設(shè)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(shè)備的絕緣薄弱處，該薄弱處被擊穿時(shí)的電壓要低于架空線路或是受保護(hù)設(shè)備的雷擊絕緣水平，但是高于線路或是設(shè)備的額定運(yùn)行電壓，因此在遭受過電壓時(shí)，避雷器將首先被擊穿而導(dǎo)泄雷電流入地，進(jìn)而起到防雷作用。接地電阻的存在，會(huì)影響輸電線路的防雷效果。接地電阻較大時(shí)會(huì)引起反擊，因此針對(duì)接地電阻較大的地區(qū)，一般是山區(qū)而非平原地區(qū)，需要采取一定的措施降低接地電阻，以便雷電流交易泄導(dǎo)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(shí)感應(yīng)的暫態(tài)量反加至桿塔，過高時(shí)仍會(huì)引起閃絡(luò)，降低架空線路耐雷水平，此時(shí)應(yīng)用氧化鋅避雷器的鉗電位原理，就可以削弱接地電阻對(duì)防雷的影響。

2.2EMTP概述

利用理論計(jì)算或是仿真方法實(shí)現(xiàn)對(duì)雷擊等故障及操作后出現(xiàn)的暫態(tài)過電壓、電流進(jìn)行分析和計(jì)算，是電磁暫態(tài)過程分析的目的[3-5]。以便對(duì)電力系統(tǒng)的絕緣保護(hù)等提供參考和依據(jù)。

數(shù)值計(jì)算方法比較常用的是建立在流動(dòng)波基礎(chǔ)上，一般存在兩種類型：其一是比優(yōu)利(Bewley)的Grid method(網(wǎng)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(jīng)提出，但是應(yīng)用在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的暫態(tài)計(jì)算，因?yàn)橛萌斯び?jì)算很費(fèi)時(shí)間，所以只在廣泛使用電子計(jì)算機(jī)依賴，才在工程計(jì)算中被大量采用。第二種方法經(jīng)過Domel的研究分析，并對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)充完善，形成了如今被國際學(xué)術(shù)界廣泛采用的理論計(jì)算算法。此后，在該理論計(jì)算方法之上，BPA(美國電力局)及UBC(哥倫比亞大學(xué))借助迅速發(fā)展的電子計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)其進(jìn)一步分析和研究，并研究得出了如今被廣泛應(yīng)用的EMTP計(jì)算機(jī)軟件。EMTP的計(jì)算精度經(jīng)過了IEEE和GIGRE等國際權(quán)威組織的認(rèn)定，因此計(jì)算結(jié)果的可信度很高。

電磁暫態(tài)分析程序EMTP(Electro-Magnetic Transients Program)是國際公認(rèn)的電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)分析的標(biāo)準(zhǔn)程序。ATP-EMTP是BPA的Scott-Meyer以自己的業(yè)余時(shí)間和資金開發(fā)的BPA-EMTP的替代程序，ATP-EMTP堅(jiān)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(fā)組織)開發(fā)的EMTP版本，需有償使用。EMTP擁有豐富的電路原件和強(qiáng)大的分析功能，可以用于電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)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(hù)線路及其后接設(shè)備。動(dòng)態(tài)伏安特性模型以一貫采用的靜態(tài)伏安特性為基礎(chǔ)，著眼于靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性的電壓差，這個(gè)電壓差特性附加到原來的靜態(tài)伏安特性上。即將與ZnO原件高度對(duì)應(yīng)的線型電感(按考慮)、模擬靜態(tài)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(dòng)態(tài)伏安特性模型

這個(gè)電壓源Un用指數(shù)函數(shù)近似表示電壓差與能量吸收率的關(guān)系[6]。這里將時(shí)刻t為止吸收能量的平均值E/t和時(shí)刻t的功率ΔE/Δt之比定義為能量吸收率。例如，對(duì)應(yīng)1/2.5μs、5kA電流的電壓差-能量吸收率特性可用以下兩個(gè)指數(shù)函數(shù)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(hù)中的關(guān)鍵點(diǎn)，選用合適的避雷器能夠很大程度上的減少雷電對(duì)線路的損害。本文在選擇氧化性避雷器進(jìn)行EMTP仿真計(jì)算時(shí)，選用了兩種不同類型的金屬M(fèi)OA(氧化鋅避雷器)。兩種型號(hào)分別為M1、M2。這兩種氧化鋅避雷器的參數(shù)設(shè)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(shí)電纜護(hù)套雷電過電壓特性

電纜金屬護(hù)套首端接地，設(shè)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(fù)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(yùn)行步長設(shè)為5E-9,計(jì)算終止時(shí)間0.00025s,仿真運(yùn)行，可得到金屬護(hù)套過電壓波形如圖4所示。

3.3采用M2避雷器時(shí)電纜護(hù)套雷電過電壓特性

電纜金屬護(hù)套首端接地，在其他模型參數(shù)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(yùn)行，可得到金屬護(hù)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(shí)金屬護(hù)套過電壓

圖5　選用M2避雷器時(shí)金屬護(hù)套過電壓

從圖4中可以看出，選用M1避雷器時(shí)，電纜金屬護(hù)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(shí)，電纜金屬護(hù)套過電壓的最大值為59.0kV。根據(jù)表1限值可知，仿真分析中電纜金屬護(hù)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(jié)

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(duì)比了兩種型號(hào)M1、M2氧化鋅避雷器防雷效果，結(jié)果表明：(1)在同等外設(shè)條件下，選用M1型號(hào)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(guī)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(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì).DL/T 401-2002，高壓電纜選用導(dǎo)則[S].北京：中國電力出版社，2002.

[2]胡習(xí)凱.基于集膚效應(yīng)的氧化鋅避雷器故障分析[D].南寧：廣西大學(xué)，2014.

[3]曹珍崇，楊學(xué)昌.電纜配電網(wǎng)操作過電壓的計(jì)算與分析[J]. 清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2007，47(4):466-469.

[4]陳政，康義,馬怡情.廣東—海南500kV交流跨海聯(lián)網(wǎng)工程無功補(bǔ)償及電磁暫態(tài)研究[J]. 電網(wǎng)技術(shù)，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(tǒng)電磁暫態(tài)研究[J]. 電網(wǎng)技術(shù)，2008，32(12):6-11.

[6]千濤.微電子設(shè)備的防雷及過電壓保護(hù)[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(dòng)化本科學(xué)歷，助理工程師，主要研究方向?yàn)槌邏狠旊娋€路的運(yùn)行檢修與維護(hù)技術(shù)研究與應(yīng)用；

汪旭旭(1988-)，男，湖北遠(yuǎn)安人，電氣工程碩士，助理工程師，主要研究方向?yàn)樘馗邏褐绷鬏旊娂夹g(shù)研究與應(yīng)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(xué)本科，助理工程師，主要從事輸電線路運(yùn)行維護(hù)工作。