基于EMTP的氧化锌避雷器的选型方法

童干，汪旭旭,郑武略,李昊

(1.南方电网超高压输电公司贵阳局,贵州　贵阳　550000；2.国家电网公司直流建设分公司，北京　100032；3.中国南方电网超高压输电公司广州局,广东　广州　510663；4.广州供电局有限公司,广东　广州　510000)



基于EMTP的氧化锌避雷器的选型方法

童干1，汪旭旭2,郑武略3,李昊4

(1.南方电网超高压输电公司贵阳局,贵州贵阳550000；2.国家电网公司直流建设分公司，北京100032；3.中国南方电网超高压输电公司广州局,广东广州510663；4.广州供电局有限公司,广东广州510000)

氧化锌避雷器的准确选择，能够确保电力系统的可靠运行。介绍了氧化锌避雷器的防雷机理，利用EMTP软件建立了氧化锌避雷器的仿真模型，并结合M1、M2两种型号仿真分析了电缆护套的雷电过电压特性，得出了选型结果，为氧化锌避雷器的选型提供了参考。

架空线路；氧化锌避雷器；EMTP；选型方法

1　引言

当架空线导线遭受雷击发生或引起输电线路绝缘子串发生闪络，雷电就会沿着架空线路侵入电缆，由于电缆线路内部不连续的波阻抗，雷电波就会在电缆中发生多次折射和反射，而且电缆内部芯线和电缆护套之间会产生很强的耦合效应，电缆护套和电缆导体之间较高的电压差就极易导致电缆发生绝缘击穿现象，严重危及电缆的寿命和电力系统的安全运行。

我国DL/T401《高压电缆选用导则》中规定了电缆护套在不同雷电强度下雷电冲击耐受电压[1]，它们规定的值如表1所示。

根据导则规定，要求电缆外护套的雷电冲击不能大于表1的值，外护套雷电冲击耐受电压值应不小于37.5kV和47.5kV[1]。为了保护电缆的安全运行，必须选择保护性能合适的避雷器。因此，本文给出了一种基于EMTP软件仿真计算氧化锌避雷器雷电过电压特性的方法，为避雷器的选型工作提供了参考。

表1　电缆护套雷电冲击电压耐受值

2　氧化锌避雷器及EMTP概述

2.1氧化锌避雷器防雷原理[2]

避雷器能够在架空线路或是电缆遭受雷击过电压及操作过电压时分流以保护设备免受过电压损伤甚至损坏。类似于架空线路的招弧角，避雷器作为一种间隙能够提供线路或是设备的绝缘薄弱处，该薄弱处被击穿时的电压要低于架空线路或是受保护设备的雷击绝缘水平，但是高于线路或是设备的额定运行电压，因此在遭受过电压时，避雷器将首先被击穿而导泄雷电流入地，进而起到防雷作用。接地电阻的存在，会影响输电线路的防雷效果。接地电阻较大时会引起反击，因此针对接地电阻较大的地区，一般是山区而非平原地区，需要采取一定的措施降低接地电阻，以便雷电流交易泄导入地。这些措施包括增大接地线与地的接触面积、使用降阻剂等。但是接地线加长反而增大了电感，此时感应的暂态量反加至杆塔，过高时仍会引起闪络，降低架空线路耐雷水平，此时应用氧化锌避雷器的钳电位原理，就可以削弱接地电阻对防雷的影响。

2.2EMTP概述

利用理论计算或是仿真方法实现对雷击等故障及操作后出现的暂态过电压、电流进行分析和计算，是电磁暂态过程分析的目的[3-5]。以便对电力系统的绝缘保护等提供参考和依据。

数值计算方法比较常用的是建立在流动波基础上，一般存在两种类型：其一是比优利(Bewley)的Grid method(网格法)，该方法一般利用等值线段来代替电感L和电容C；其二是泊杰龙(Bergeron)的Characteristic line method(特征线法)。虽然这些方法的基本原理很早就已经提出，但是应用在复杂网络中的暂态计算，因为用人工计算很费时间，所以只在广泛使用电子计算机依赖，才在工程计算中被大量采用。第二种方法经过Domel的研究分析，并对其进行补充完善，形成了如今被国际学术界广泛采用的理论计算算法。此后，在该理论计算方法之上，BPA(美国电力局)及UBC(哥伦比亚大学)借助迅速发展的电子计算机技术对其进一步分析和研究，并研究得出了如今被广泛应用的EMTP计算机软件。EMTP的计算精度经过了IEEE和GIGRE等国际权威组织的认定，因此计算结果的可信度很高。

电磁暂态分析程序EMTP(Electro-Magnetic Transients Program)是国际公认的电力系统电磁暂态分析的标准程序。ATP-EMTP是BPA的Scott-Meyer以自己的业余时间和资金开发的BPA-EMTP的替代程序，ATP-EMTP坚持无偿提供的原则，在全世界拥有最多的用户，是目前国际上主流版本的EMTP的替代程序，DCG-EMTP是1981年成立的DCG(EMTP合作开发组织)开发的EMTP版本，需有偿使用。EMTP拥有丰富的电路原件和强大的分析功能，可以用于电力系统的稳态和暂态分析。

3　氧化锌避雷器的EMTP选型法

3.1氧化锌避雷器仿真模型的建立

MOA(氧化锌避雷器)一般安装在输电线路或是电力缆线接头处，借其保护线路及其后接设备。动态伏安特性模型以一贯采用的静态伏安特性为基础，着眼于静态特性和动态特性的电压差，这个电压差特性附加到原来的静态伏安特性上。即将与ZnO原件高度对应的线型电感(按考虑)、模拟静态福安特性曲线电阻及模拟上述电压差的电压源串连在一起，图1所示。

图1　动态伏安特性模型

这个电压源Un用指数函数近似表示电压差与能量吸收率的关系[6]。这里将时刻t为止吸收能量的平均值E/t和时刻t的功率ΔE/Δt之比定义为能量吸收率。例如，对应1/2.5μs、5kA电流的电压差-能量吸收率特性可用以下两个指数函数近似表示。

Un=1521·e-0.4753x(x≤2.2086)

Un=982·e-0.2777x(x≤2.2086)

式中：x为能量吸收率×lg(t×108)。

避雷器的选择是防雷保护中的关键点，选用合适的避雷器能够很大程度上的减少雷电对线路的损害。本文在选择氧化性避雷器进行EMTP仿真计算时，选用了两种不同类型的金属MOA(氧化锌避雷器)。两种型号分别为M1、M2。这两种氧化锌避雷器的参数设置和避雷器的非线性特性曲线如图2和图3所示。

3.2选用M1避雷器时电缆护套雷电过电压特性

电缆金属护套首端接地，设置电缆长度1500m，电缆埋在地下采用三角形排列方式，土壤电阻率为20ohmm，线路末端负荷阻抗为316，选用M1氧化锌避雷器，仿真模型如图2 所示，仿真运行步长设为5E-9,计算终止时间0.00025s,仿真运行，可得到金属护套过电压波形如图4所示。

3.3采用M2避雷器时电缆护套雷电过电压特性

电缆金属护套首端接地，在其他模型参数不变的情况下，选用M2氧化锌避雷器，仿真模型如图3所示，仿真运行，可得到金属护套过电压波形如图5所示。

图2　M2氧化锌避雷器

图3　M2氧化锌避雷器

图4　选用M2避雷器时金属护套过电压

图5　选用M2避雷器时金属护套过电压

从图4中可以看出，选用M1避雷器时，电缆金属护套过电压的最大值为12.5kV；从图5中可以看出，选用M2避雷器时，电缆金属护套过电压的最大值为59.0kV。根据表1限值可知，仿真分析中电缆金属护套过电压值为12.5 kV的线路比较安全，因此，选用M1避雷器比较合理。

4　总结

本文通过EMTP软件建立了氧化锌避雷器仿真模型，得出了避雷器的非线性特性，并利用EMTP仿真分析的方法对比了两种型号M1、M2氧化锌避雷器防雷效果，结果表明：(1)在同等外设条件下，选用M1型号氧化锌避雷器的防雷效果较合理；(2)利用EMTP的仿真方法有别于规程法，该方法能够直观具体的展示防雷效果，为氧化锌避雷器的选型提供了参考。

[1]中华人民共和国国家经济贸易委员会.DL/T 401-2002，高压电缆选用导则[S].北京：中国电力出版社，2002.

[2]胡习凯.基于集肤效应的氧化锌避雷器故障分析[D].南宁：广西大学，2014.

[3]曹珍崇，杨学昌.电缆配电网操作过电压的计算与分析[J]. 清华大学学报(自然科学版)，2007，47(4):466-469.

[4]陈政，康义,马怡情.广东—海南500kV交流跨海联网工程无功补偿及电磁暂态研究[J]. 电网技术，2009，33(19):143-147.

[5]王晓彤，林集明，等.广州—海南500kV海底电缆输电系统电磁暂态研究[J]. 电网技术，2008，32(12):6-11.

[6]千涛.微电子设备的防雷及过电压保护[J].电瓷避雷器，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，湖北黄冈人，电气工程及其自动化本科学历，助理工程师，主要研究方向为超高压输电线路的运行检修与维护技术研究与应用；

汪旭旭(1988-)，男，湖北远安人，电气工程硕士，助理工程师，主要研究方向为特高压直流输电技术研究与应用、特高压直流工程施工管理等；

郑武略(1987-)，男，湖北五峰人，大学本科，助理工程师，主要从事输电线路运行维护工作。