基于PSCAD通用变电站进线杆塔雷击过电压计算模型
基于PSCAD的某输电线路耐雷水平的仿真研究
基于PSCAD的某输电线路耐雷水平的仿真研究郭昆丽;宋晓菲;王建波;王猛;张永宜【期刊名称】《计算机与数字工程》【年(卷),期】2017(045)003【摘要】雷击经常造成输电线路杆塔绝缘子串闪络,给电力运行带来很大的影响.论文建立了35kV架空输电线路杆塔的雷电流模型、线路模型和杆塔模型,采用PSCAD/EMTDC仿真软件,分析安装线路避雷器、降低接地电阻等措施的防雷效果.当雷击杆塔顶时,与线路未采取任何防雷措施相比,易击杆两侧安装三组避雷器耐雷水平可提髙5倍,效果明显.仿真分析可为该输电线路防雷措施提供重要的参考.%Lightning often cause is flashover of transmission line tower insulator string, which has brought great influence to the electric power operation.The lightning 35kV overhead transmission lines lightning current model, circuit model and the tower model is established.PSCAD/EMTDC simulation software is used to analyze lightning withstand level effect of the lightning arrester and the reduction of grounding resistance.When the rod tower is struck by lightning, the lightning protection level increases 5 times after installing lightning arrester compared with the lightning protection, and the direct effect is obvious.The simulation analysis can provide an important reference for the lightning protection of the 35kV overhead transmission line.【总页数】5页(P553-557)【作者】郭昆丽;宋晓菲;王建波;王猛;张永宜【作者单位】西安工程大学西安 710048;西安工程大学西安 710048;国网陕西省电力公司电力科学研究院西安 710054;西安工程大学西安 710048;西安工程大学西安 710048【正文语种】中文【中图分类】TP391.9【相关文献】1.高压架空输电线路雷击过电压的仿真计算与分析研究之二:输电线路耐雷水平与雷击跳闸率的仿真计算与分析 [J], 李明贵;鲁铁成2.高压架空输电线路雷击过电压的仿真计算与分析研究之三:影响输电线路耐雷水平因素的仿真计算与分析 [J], 李明贵;鲁铁成3.基于PSCAD的同塔双回输电线路雷击仿真研究 [J], 胡其伟;胡晟;陈磊;石果4.基于PSCAD/EMTDC的输电线路单相接地故障仿真研究 [J], 薛易;邱培阳;苏勋文;王笃亭;阳海燕5.基于ATP的输电线路耐雷水平仿真研究 [J], 王飞龙因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
ATP和PSCAD在线路过电压仿真计算中的应用
2）切除电容性负载引起旳过电压
产生机理：电容性负载是指流过电容器、电缆或空载 长线路等旳电流。在断路器开断电容性设备旳过程中， 若断口上旳恢复电压上升速度超出其介质强度旳上升 速度，即会造成断路器开断时旳电弧重燃。此时若断 口两端电压极性相反，加之电源继续供给能量，使振 荡充分发展，从而引起产生过电压 影响原因：断路器旳性能、中性点接地方式 限制措施：提升断路器旳灭弧性能（使用真空开关）、 采用带并联电阻旳开关
暂时过电压
内部过电压
电力系统过电 压
雷电过电压
操作过电压 直击雷过电压 感应雷过电压
工频过电压 谐振过电压
投切空载线路过电压 切断空载变压器过电压 断续电弧接地过电压
1、工频过电压
工频过电压主要由长线路旳电容效应及电网 运营方式旳忽然变化引起。
特点：连续时间长，过电压倍数不高，一般 对设备绝缘危险性不大，但在超高压、远距离输 电拟定绝缘水平时起主要作用。
UC 当 L
1
时，电感上旳电压降与电容上旳电压
C
降绝对值相等、相位相反，电路中A、B两点犹如
断路，电源电动势完全作用于电阻压降，回路电
流到达最大，L、C上旳电压也到达最大，形成过
电压。
2、谐振过电压
2)铁磁谐振过电压
电力系统中旳铁磁谐振回路一般由空载变压器或
UR
UL
电压互感器与电容性元件组合而成，主要有下列 三种情况：
2、谐振过电压
谐振过电压在正常运营操作中出现频繁，其危害 性较大。运营经验表白，中低压电网中过电压事故大 多数都是由谐振现象所 引起。
因为谐振过电压作用时间较长，会给保护措施旳 选择造成困难，为了尽量预防发生谐振过电压，在设 计和操作电网时，需事先进行必要旳估算和安排，防 止形成严重旳谐振回路，或采用合适旳防谐振措施。
超高压变电站雷电过电压仿真及分析
超高压变电站雷电过电压仿真及分析发布时间：2022-06-30T07:32:37.855Z 来源：《新型城镇化》2022年13期作者：高阳[导读] 超高压电网的雷害事故时有发生，有效预防雷害事故可以提高变电站的安全性。
国网西藏电力有限公司超高压分公司西藏自治区拉萨市 850000摘要：超高压电网的雷害事故时有发生，有效预防雷害事故可以提高变电站的安全性。
本文采用EMTP软件建5O0kv变电站一次设备模型、输电线路模型和雷电流模型，模拟雷电波通过输电线路进入变电站的过电压情况．分析不同防雷措施情况下变电站的过电压情况。
仿真计算结果对实际运行中的电力系统雷害事故分析具有一定的借鉴意义。
对雷害事故的防治以及对过电压现象的分析具有一定参考价值。
关键词：超高压变电站；EMTP；仿真计算；过电压；接地电阻；避雷器一、引言变电站是电力系统的枢纽，其运行可靠性关系到整个电力系统的安全运行。
在电力系统绝缘事故中，一些是雷电过电压引起的。
变电站雷害来源一为直击雷，二为雷电行波。
长期的运行经验表明，只要变电站内采用正确的直击雷防护措施，其可靠性是较高的。
变电站雷电过电压防护问题主要是针对从线路侵入变电站的雷电行波防护的研究，一般有以下三种方法。
⑴模拟方法。
属于数学上相似的电模拟方法，即模拟计算机型的暂态网络分析仪（TNA），由真实电力系统设备(侧重于暂态特性)的模拟元件（选择恰当的比例尺得到）组成，对还属于探索性或者设计过程中的问题，将发挥重要作用。
⑵实测方法。
此方法补充和考虑了许多在计算机或模拟中不能考虑的因素，如耦合、大地的影响，具有更强的真实性与权威性，但它要对如外部干扰的一些影响因素进行处理，且受具体结线限制，不易作结线方式改变的相关研究。
⑶计算机方法。
可用于规划设计电站时的最优方案，同时也可校验已建的电站关于防雷保护的问题，但必须已知变电站各个元件的参数，且参数的选取对结果影响很大。
计算方法以EMTP仿真使用最多，它可以解决电力系统中许多稳态和暂态过程的计算。
输电线路杆塔雷电冲击阻抗及等效二端口电路模型分析_赵媛
矢量匹配法研究了输电线路杆塔冲击阻抗和等效电路的建立方法。首先采取电磁场数值软件分析了杆塔的阻抗频 域特性函数，再将计算得到杆塔频率响应利用矢量匹配法进行了有理函数拟合，然后用网络综合的方法建立了杆 塔二端口等效电路模型，并用 PSCAD 电磁暂态程序进行了仿真验证。研究表明：该方法可以应用在杆塔的任意 2 点上，建立对大地的二端口等效电路模型，从而求得杆塔上任意点遭受雷击时杆塔上任意部位的电位变化情况， 进而能够模拟可能的放电通道过电压情况，以可用于分析输电线路杆塔雷电反击过程。 关键词：杆塔；雷电反击；冲击阻抗；频率响应；矢量匹配法；二端口网络
和重庆大学
[11-12]
等。
西安交通大学多波阻抗模型是根据垂直导体不同高 度处的波阻抗不同的概念，将杆塔分割为几部分模 拟。重庆大学基于圆锥天线模型，针对杆塔的垂直 结构，结合圆锥天线理论进行分析得到垂直圆柱体 的波阻抗表达式，并通过修正系数得到与实际杆塔 结构比较符合的杆塔波阻抗模型。这些模型能够较
[13-14,18-19]
为复杂，或仅能从整体上反映杆塔遭受雷击时的杆 塔电位，较难反映每个容易放电的通道电位差，进 而不易判断最终是哪个通道放电。 本文依据电磁场数值仿真结果，基于矢量匹配 法， 建立杆塔暂态特性的 T 型二端口等效电路模型， 能够模拟任意可能的放电通道过电压情况。该模型 实现较为简便，能提高电力系统雷击过程中关键环 节的仿真计算精度，并能有效提升目前对输电线路 防雷性能计算与评估的精度。
输电线路杆塔雷电冲击阻抗及等效二端口电路模型分析
赵 媛 ，李
1
雨 ，邓 春 ，何金良
1
1
2
（1. 国网冀北电力有限公司电力科学研究院，北京 100045； 2. 清华大学电机工程与应用电子技术系，北京 100084）
计及冲击电晕的输电线路反击雷电过电压暂态特征仿真分析
[2020年第9期>I照明电气丨计及冲击电晕的输电线路反击雷电过电压暂态特征仿真分析赵紫辉广东电网有限责任公司珠海供电局（广东珠海519000)摘要：鉴于输电线路经常遭受雷电反击导致停电频发，文章利用电磁暂态仿真程序PSCAD/EMTDC搭建了考虑冲击电 晕因素影响的输电线路雷击糢型，并对雷击输电线路塔顶时产生的雷电过电压暂态特征进行了仿真分析，得出绝緣子两端、塔顶及三相导线、避雷线上的过电压波形特征，以供参考。
关键词：冲击电晕；输电线路；雷电过电压；雷电反击；暂态特征〇引言输电线路经常遭受各种雷电过电压的侵袭，导致停电事故，其中雷电反击造成的故障影响更大，因此准确分析反击雷电过电压特征，对做好雷电反击故障防御具有极为重要的理论参考和指导意义[“2]。
1雷电反击输电线路模型文章采用PSCAD/EMTDC仿真软件，建立了考虑冲击电晕影响的雷电反击输电线路模型Ml。
其中，雷电流模型采用2.6/50 u s双指数波，杆塔模型采用500 kV ZB1酒杯塔多波阻抗模型[51»绝缘子闪络判据采用比较法，比较电压取为我国规程建议的500 kV线路绝缘子U50%冲击放电电压2138 k V l输电线路采用7基杆塔模型，如图1所示[7]。
2输电线路反击耐雷水平基于上述仿真模型，考虑冲击电晕影响，输电线路耐雷水平为156.61 kA,如表1所示。
当雷电流幅值超过该耐雷水平时，线路将发生反击故障。
表1输电线路耐雷水平仿真结果故障类型未考虑冲击电晕的考虑冲击电晕的线线路耐雷水平/kA路耐雷水平/kA反击144.74156.613雷击杆塔塔顶时输电线路反击雷电过电压特征根据上述仿真得出的输电线路耐雷水平，文章分别选取幅值为120 kA和165 kA的雷电流击中A相导线侧杆塔 塔顶。
由于雷电流幅值的不同，绝缘子两端以及塔顶和三 相导线上形成的过电压波形将呈现不同的物理特征。
3.1雷击点处雷电过电压特征当雷电流幅值为120 kA时，由于未达到输电线路的耐 雷水平，输电线路不会发生反击故障，绝缘子两端的过电 压波形基本一致。
输电线路防雷计算中的新杆塔模型
互波阻抗. 假定式 (1) 对于该系统是有效的 , 那么第
k 根圆柱体的自波阻抗 ZT, kk和第 k 根与第 l 根之间
的互波阻抗 ZT, kl可表示为
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第 4 期 张 颖 ,等 :输电线路防雷计算中的新杆塔模型
367
ZT, kk
= 60
ln
23/ 2 r
h
-
2
(3)
ZT, kl
= 60
ln
23/ 2 h Rkl
-
2
(4)
式中 : Rkl是第 k 根和第 l 根间的距离.
鉴于杆塔最多是 4 导体系统 ,所以给出了 2 、3 、4
Ne w Tower Model in Calculation of Lightning Protection on Transmission Line
Zhang Ying , Gao Yadong , Du Bin , Shi Wei
(School of Electrical Engineering , Xi′an Jiaotong University , Xi′an 710049 , China)
为
ZTk
= 60
ln
23/ 2 hk re k
-
2
(8)
re k = 21/ 8 ( r1T/k3rB2/ 3) 1/ 4 ( R1T/k3RB2/ 3) 3/ 4
(9)
(2) 实际测得在有支架和无支架的情况下的波
阻抗 ,从测量结果可看出 , 增加了支架之后 , 多导体 系统的波阻抗减小了 10 %左右 , 那么支架每部分的 波阻抗为
雷击引起的电压凹陷及其PSCAD_EMTDC仿真
雷击引起的电压凹陷及其PSCAD/E MT DC仿真李 逢,唐起红,刘冰洁,弭 磊,刘茂军(四川大学电气信息学院,四川成都 610065)摘 要:雷击是电力系统中频次最高的故障原因,由雷击引起的电压凹陷等电能质量问题及其影响和危害已经成为当前国内外广泛关注的问题,针对雷击过电压的不同保护方式,立足于分析雷击引起的电压凹陷进行了研究,建立了基于PSC AD/E MT DC的仿真模型,仿真结果证明通过E MT DC仿真能揭示雷击引起的凹陷的基本特征,对于进一步深入研究雷击引起的保护系统、自动化系统以及敏感设备的受雷击的影响,以及研究更好的雷击保护方案具有一定的理论和应用价值。
关键词:雷击;电压凹陷;E MT DC仿真;绝缘子闪络;波形特征Abstract:Lightning stroke is the main cause of power system failures,and the v oltage sag owing to lightning stroke has become the m ost important issues for power industry.The different simulation m odels for different lightning protecting m ode are proposed.The simulation results by PSC AD/E MT DC for a real system prove the possibility and validity.K ey w ords:lightning stroke;v oltage sag;E MT DC simulation;insulator arc-over;waveform characteristic中图分类号:T M866 文献标识码:A 文章编号:1003-6954(2007)04-0014-05 电力系统中雷击引起的故障最多,对雷击引起的过电压及其保护已经有大量的研究,实际上雷击除了直接产生过电压影响设备和系统绝缘外,引起的电压凹陷(Voltage Sag)和短时中断(Short-Duration Inter2 ruption)对系统保护与控制、敏感用户产生的影响越来越引起人们的重视。
基于PSCAD的同塔双回输电线路雷击仿真研究
基于PSCAD的同塔双回输电线路雷击仿真研究同塔双回输电线路是指在一个铁塔上同时安装两条电力输电线路的一种输电方式。
雷击是对电力系统正常运行产生影响的一种天气现象，对同塔双回输电线路的雷击仿真研究有助于了解其在雷击环境下的工作性能，并提出相应的防护措施。
本文将基于PSCAD软件对同塔双回输电线路的雷击仿真进行研究。
首先，需要建立同塔双回输电线路的仿真模型。
可以通过PSCAD软件的图形绘制功能，将铁塔、导线和其它电力设备等元件逐个添加到仿真模型中。
在建立模型时，需要根据实际情况设定合理的参数和变量，并进行适当的简化和抽象，以提高计算效率和准确性。
其次，进行雷击仿真模拟。
雷击是一种电磁现象，当雷暴云中的电荷经过电场的作用达到一定程度时，就会引发雷电放电。
为了模拟雷击过程，可以在PSCAD软件中添加相应的电容、电感等元件，来模拟建立雷电放电的过程。
同时，需要设置合适的电压和电流源，以模拟雷电对同塔双回输电线路的影响。
然后，进行雷击仿真结果的分析。
在进行仿真计算后，可以通过PSCAD软件提供的结果分析工具对仿真结果进行评估和分析。
可以查看线路元件上的电流波形和电压波形，了解雷击对同塔双回输电线路的影响程度。
根据仿真结果，可以找出存在的问题，并提出相应的解决方案和优化措施。
最后，进行防护方案的优化。
根据仿真结果分析的结论，可以针对存在的问题提出相应的防护措施。
例如，可以在模型中添加避雷针或避雷器等防雷装置，来提高同塔双回输电线路的防雷性能。
通过多次仿真实验，可以对防护方案的效果进行评估和优化，以达到预期的防雷效果。
总之，本文基于PSCAD软件对同塔双回输电线路的雷击仿真进行研究，通过建立仿真模型、进行雷击仿真模拟、分析仿真结果和优化防护方案，来了解同塔双回输电线路在雷击环境下的工作性能，并提出相应的防护措施，以提高其防雷能力，保障电力系统的正常运行。
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基于PSCAD的通用变电站进线杆塔雷击过电压计算模型浅
析
摘要：雷击过电压是电力系统中较为严重的故障原因，基于pscad/emtdc建立变电站进线杆塔的雷击模型，对变电站的雷击过电压进行计算，计算结果证明通过emtdc仿真能够得到过电压波形，对于进一步研究雷击的保护方案具有一定理论和应用价值。
关键词：雷击；emtdc仿真；过电压；
随着电网的迅速发展，电网不断延伸扩大，雷害事故对于电力系统的影响受到越来越多的重视，相对于输电线路，变电站的雷害事故往往会导致大面积停电，影响较为严重，本文从电力系统变电站进线杆塔的雷击过电压计算入手，探讨雷击过电压计算模型。
1、雷击过电压原理
雷电放电的物理过程虽然是很复杂的，但是从地面感受到的实际效果和防雷保护的工程角度，可以把它看成是一个沿着一条固定波阻抗的雷电通道向地而传播的电磁波过程，据此建立计算模型。
在雷电放电过程中，能够测得的雷击地面时流过被击物体的电流，可以使用计算模型反推出雷电波的参数。
根据雷电流源等值电路，雷电流计算公式：
国际上都习惯把雷击低于接地阻抗（z≈0或zz0）物体时，流过该物体的电流定义为雷电流。
应当注意的是：定义中的雷电流恰好等于沿雷电通道传播而来的雷电流波的两倍。
因而在防雷保护计
算的彼德逊等值电路中，等值雷电流源通常就直接用雷电流来表示。
雷电过电压主要可以分成三种：
1.1反击过电压
雷闪直接击中杆塔，或击中杆塔附一近避雷线时，雷电流通过雷击杆塔和杆塔的接地电阻使塔顶电位大大升高，当塔顶与导线之间的电位差超过线路绝缘子串的冲击放电电压时，就会引起线路绝缘子串闪络。
这种情况通常称为反击。
1.2感应过电压
雷闪击中线路附近大地或杆塔时，由于电磁感应在导线上产生的过电压。
一般感应过电压只对35kv及以下的线路有威胁。
1.3直击导线过电压
雷闪直接击中无避雷线的导线或绕过避雷线(屏蔽失败)而击中导线，也称为绕击雷过电压，直接在导线上引起很高的过电压，造成线路绝缘子串闪络。
运行经验表明，反击雷过电压对系统危害最大。
故本文仅以反击过电压作为雷击过电压。
2、pscad/emtdc仿真模型
雷电源模型
根据中国的雷电流幅值分布概率，按规程建议取波形为斜角平定波、负极性，作为主要研究波形。
故仿真采用的雷电流的波形按照通常的情况下的2.6/50μs，取雷电流216ka，并取为负极性。
按照前文使用双指数函数的电流模型对2.6/50雷电流的波形的拟合结果，雷电模型使用的表达式为：
反击时雷电通道的波阻抗z0取300ω。
仿真模型如图1所示。
图1pscad/emtdc雷电源模型
2.1杆塔模型
按照不同高度取不同的波阻抗的值的方法来建立杆塔模型，在雷电冲击波的作用下，杆塔可以近似等值为电感和电容的分布参数，根据杆塔尺寸如图2（a）所示，建立计算的电路模型如图2（b）所示。
计算中rch为杆塔的冲击接地电阻，取值10ω，档距400m。
（a）简化杆塔模型（b）仿真模型
图2pscad/emtdc杆塔模型
建立杆塔模型后就是关于雷击点的选定。
在仿真计算中将变电站和进线段结合起来，做为一个网络来进行仿真。
我国规程规定只计算离变电站2km以外的远区雷击，不考虑2km以内的近区雷击。
而在美国、西欧和日本以及cigre（国际大电网会议）工作组，均以近区雷击作为变电站侵入波的重点考察对象。
因此雷击点选为进线段的1号～6号杆塔，兼顾近区和远区的雷击，其中雷击6号杆塔为远区雷击，其余为近区雷击。
2.2输电线路
导线和避雷线均用单相无损导线模拟，模拟时需考虑两个参数：波阻抗和波速。
假设线路上波速均为光速。
利用单相无损线路的贝杰龙模型研究雷击过电压，与地平行的架空线无损导线的波阻抗由下式决定：
式中为导体半径，为导体平均高度。
电压等级较高的输电线路
一般采用四分裂结构，导线计算后的波阻抗为380ω，考虑到电晕的作用，波阻抗降低20％～30％，计算时导线波阻抗取为280ω。
变电站电气设备模型
因为雷电侵入波等值频率较高，维持时间很短，通常在10μs
左右即可算出最大过电压幅值。
则变电站设备如变压器，隔离开关，断路器，互感器等，在雷电波作用下，均可等值成冲击入口电容，它们之间有分布参数线段相隔。
与输电线波阻抗类似，变电站母线的波阻抗为300ω，导线波阻抗取为280ω，gis内部接线为65ω。
根据经验公式，计算变压器入口电容c：
式中s为变压器容量，k为系数，对较高电压等级的变压器n取4，在计算变电站中估算变压器c=5000pf。
其他设备等值电容见表1。
表1设备等值电容
设备名称电容值（pf）
变压器5000
电容式电压互感器3000
电流互的感器1000
断路器800
隔离开关 300
穿墙套管 150
2.3避雷模型：
pscad/emtdc已有避雷器模型，需要对避雷器进行型号，伏安特性进行设置。
运用pscad仿真计算时，只需在提示框内直接输入该型号避雷器在各个电流下的电压值和避雷器的参考电压，程序自动拟合生成其计算所需的伏安特性曲线。
仿真模型搭建如图3所示。
图3避雷器模型
3、仿真结果
采用上述模型对重庆北碚500kv变电站进行仿真计算，得到1~6号杆塔雷击过电压波形。
图4为最为严重的2号杆塔雷击过电压，b1、b2分别为1号主变和2号主变的过电压波形，最大值分别为1041.40kv和1021.39kv。
其他波形因篇幅原因略。
图4模型过电压计算结果
4、结论
仿真波形与实际测量相比较，符合实际情况，证明仿真模型的正确性。
如何利用仿真波形进行有效的防雷保护以及设备的绝缘配合需要进一步研究。
参考文献
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