ATP和PSCAD在线路过电压仿真计算中的应用

1、ATPATP和和PSCADPSCAD在线路过电压在线路过电压仿真计算中的应用仿真计算中的应用2015年年12月月电力系统中的各种绝缘在运行中除了受长期电力系统中的各种绝缘在运行中除了受长期工作电压的作用外，还会受到各种比工作电压高工作电压的作用外，还会受到各种比工作电压高得多的过电压的作用。得多的过电压的作用。所谓过电压就是指电系统中出现的对绝缘有所谓过电压就是指电系统中出现的对绝缘有危险的电压升高和电位升高。通常过电压可以作危险的电压升高和电位升高。通常过电压可以作如下分类：如下分类：一、电力系统过电压一、电力系统过电压一、电力系统过电压一、电力系统过电压电力系统过电力系统过电压电压内部过电

2、压内部过电压暂时过电压暂时过电压工频过电压工频过电压谐振过电压谐振过电压操作过电压操作过电压投切空载线路过电压投切空载线路过电压切断空载变压器过电压切断空载变压器过电压断续电弧接地过电压断续电弧接地过电压雷电过电压雷电过电压直击雷过电压直击雷过电压感应雷过电压感应雷过电压1、工频过电压、工频过电压工频过电压主要由工频过电压主要由长线路的电容效应及电网长线路的电容效应及电网运行方式的突然改变引起运行方式的突然改变引起。特点特点：持续时间长持续时间长，过电压倍数不高过电压倍数不高，一般一般对设备绝缘危险性不大对设备绝缘危险性不大，但在超高压、远距离输但在超高压、远距离输电确定绝缘水平时起重要作用。

3、电确定绝缘水平时起重要作用。空载长线路的电容效应空载长线路的等值电路可简化如图所示。空载长线路的等值电路可简化如图所示。C.IRLUR.UL.EUC.一般一般R要比要比XL和和XC小得多，可将其小得多，可将其忽略。得到如下电路电压关系。忽略。得到如下电路电压关系。)(CLCLXXI jUUE空载线路的工频容抗空载线路的工频容抗XC 感抗感抗 XL，故故UCUL，电容上的压降，电容上的压降UC大于大于电源电势电源电势E。ULIUCE.不对称短路引起的工频过电压对于中性点不接地系统，线路发生单相接地故障对于中性点不接地系统，线路发生单相接地故障时，非故障相的电压上升为线电压，造成工频过电压。时，非

4、故障相的电压上升为线电压，造成工频过电压。正常运行方式下，中性点正常运行方式下，中性点N处相当于零电位，处相当于零电位， A 、B、C处电压分别为三相的相电压。处电压分别为三相的相电压。EA.+-AEB+-BEC+-C.NUN=0UA=EA UB=EB UC=EC.ECEBEA.N不对称短路引起的工频过电压对于中性点不接地系统，线路发生单相接地故障对于中性点不接地系统，线路发生单相接地故障时，非故障相的电压上升为线电压，造成工频过电压。时，非故障相的电压上升为线电压，造成工频过电压。当当发生单相接地故障时，故障处故障相发生单相接地故障时，故障处故障相电压变为零电位，中性点电压变为零电位，中性点

5、N电压变为负电压变为负的相电压，的相电压， 非故障相非故障相B、C处电压上升处电压上升为线电压。为线电压。UA=0 UN= EAUB=EB EA= UBA UC=EC EA= UCA .EA.+-AEB+-BEC+-C.NECEBEA.UCUB.甩负荷引起的工频过电压甩负荷引起的工频过电压是指由于某种原因（例如短路故甩负荷引起的工频过电压是指由于某种原因（例如短路故障）使线路末端断路器突然跳闸而切除受端负荷引起的电压升障）使线路末端断路器突然跳闸而切除受端负荷引起的电压升高。高。甩负荷效应主要从以下三个方面导致工频电压升高：甩负荷效应主要从以下三个方面导致工频电压升高：1）线路输送相当大的有功

6、功率和感性无功功率时，电源）线路输送相当大的有功功率和感性无功功率时，电源电动势高于母线电压。在甩负荷后，由于电动机磁链不能突变，电动势高于母线电压。在甩负荷后，由于电动机磁链不能突变，发电机将在短时间内维持较高的电动势。发电机将在短时间内维持较高的电动势。2）线路从带负荷变为末端开路，出线空载长线电容效应。）线路从带负荷变为末端开路，出线空载长线电容效应。3）原动机的调速器和制动设备的惰性使发电机有短时间）原动机的调速器和制动设备的惰性使发电机有短时间的转速增加，造成电动势及其频率有所上升，加剧工频过电压的转速增加，造成电动势及其频率有所上升，加剧工频过电压升高。升高。限制工频过电压的措施：

7、限制工频过电压的措施：空载长线路的电容效应空载长线路的电容效应不对称短路故障引起的过电压不对称短路故障引起的过电压甩负荷引起的工频过电压甩负荷引起的工频过电压补偿空载线路的电容效应补偿空载线路的电容效应 将系统中性点接地将系统中性点接地发电机配置性能良好发电机配置性能良好的励磁调节器或调压的励磁调节器或调压装置、反应灵敏的调装置、反应灵敏的调速系统速系统 。2、谐振过电压、谐振过电压谐振过电压是电力系统中电感、电容等储能元件谐振过电压是电力系统中电感、电容等储能元件在某些接线方式下与电源频率发生谐振所造成的过电在某些接线方式下与电源频率发生谐振所造成的过电压。压。按照起因可分为：线性谐振过电压

8、、铁磁谐振过按照起因可分为：线性谐振过电压、铁磁谐振过电压、参数谐振过电压。电压、参数谐振过电压。2、谐振过电压、谐振过电压1)线性谐振过电压线性谐振过电压ULLEICUCRUR)1(CLIjRIXIjXIjRIUUUECLCLR如图所示的如图所示的R、L、C串联回路中，电源电动势串联回路中，电源电动势E和和回路元件的电压关系如下：回路元件的电压关系如下：当当 时，电感上的电压降与电容上的电压时，电感上的电压降与电容上的电压降绝对值相等、相位相反，电路中降绝对值相等、相位相反，电路中A、B两点如两点如同断路，电源电动势完全作用于电阻压降，回路同断路，电源电动势完全作用于电阻压降，回路电流达到最

9、大，电流达到最大，L、C上的电压也达到最大，形成上的电压也达到最大，形成过电压。过电压。CL1AB2、谐振过电压、谐振过电压2)铁磁谐振过电压铁磁谐振过电压ULLEICUCRURA电力系统中的铁磁谐振回路一般由空载变压器或电力系统中的铁磁谐振回路一般由空载变压器或电压互感器与电容性元件组合而成，主要有以下电压互感器与电容性元件组合而成，主要有以下三种情况：三种情况：1）断路器的均口电容与母线）断路器的均口电容与母线PT形成的谐振回路；形成的谐振回路；2）母线空载时，母线对地电容与母线）母线空载时，母线对地电容与母线PT形成的谐形成的谐振回路；振回路；3）线路断线，线路末端接有空载或轻载的中性点

10、）线路断线，线路末端接有空载或轻载的中性点不接地变压器形成谐振回路。不接地变压器形成谐振回路。B与线性谐振回路不同之处在于，此处电感为变压器或电压互感器铁芯，其电感值不再是常量，而是随着电流增大、铁芯饱和而不断下降。回路的谐振条件为（L0为铁芯未饱和时的电感值）021LC2、谐振过电压、谐振过电压3)参数谐振过电压参数谐振过电压RIC参数谐振过电压回路是由电感参数参数谐振过电压回路是由电感参数作周期性作周期性变化变化的电感元件和系统电容元件的电感元件和系统电容元件(如空载线如空载线路路)组成，典型例子是同步发电机的自激过组成，典型例子是同步发电机的自激过电压（如图所示）。电压（如图所示）。dq

11、L同步发电机的自激过电压：当同步发电机接同步发电机的自激过电压：当同步发电机接有空载线路（容性负荷）时，若发电机的电有空载线路（容性负荷）时，若发电机的电抗与线路容抗配合不当，即使激励电流很小，抗与线路容抗配合不当，即使激励电流很小，甚至为零，由于剩磁的作用，也会使发电机甚至为零，由于剩磁的作用，也会使发电机的端电压和输出电流急剧上升，产生很高的的端电压和输出电流急剧上升，产生很高的过电压。过电压。2、谐振过电压、谐振过电压谐振过电压在正常运行操作中出现频繁，其危害谐振过电压在正常运行操作中出现频繁，其危害性较大。运行经验表明，中低压电网中过电压事故大性较大。运行经验表明，中低压电网中过电压事

12、故大多数都是由谐振现象所多数都是由谐振现象所 引起。引起。由于谐振过电压作用时间较长，会给保护措施的由于谐振过电压作用时间较长，会给保护措施的选择造成困难，为了尽可能防止发生谐振过电压，在选择造成困难，为了尽可能防止发生谐振过电压，在设计和操作电网时，需事先进行必要的估算和安排，设计和操作电网时，需事先进行必要的估算和安排，避免形成严重的谐振回路，或采取适当的防谐振措施。避免形成严重的谐振回路，或采取适当的防谐振措施。3、操作过电压、操作过电压操作过电压出现在由于操作过电压出现在由于“操作操作”引起的过渡过程引起的过渡过程中。所谓的中。所谓的“操作操作”，既包括线路切、合与重合，开，既包括线路

13、切、合与重合，开断容性电流和开断较小或中等的感性电流，也包括故断容性电流和开断较小或中等的感性电流，也包括故障、切除故障与负荷突变等。障、切除故障与负荷突变等。1）投切小感性负载引起的过电压）投切小感性负载引起的过电压产生机理：产生机理：小电感性负载是指空载变压器、电动机小电感性负载是指空载变压器、电动机等。断路器灭弧能力一般按照切断大电流设计的，等。断路器灭弧能力一般按照切断大电流设计的，其灭弧能力强。而在切断小电感性负载时，可能在其灭弧能力强。而在切断小电感性负载时，可能在电流过零前强制熄弧而造成截流。此时，设备的电电流过零前强制熄弧而造成截流。此时，设备的电感和电容中储存的能量相互转换而

14、形成振荡。由于感和电容中储存的能量相互转换而形成振荡。由于对地杂散电容较小，当全部能量转换为电场能时，对地杂散电容较小，当全部能量转换为电场能时，就会产生幅值很高的过电压。就会产生幅值很高的过电压。限制措施：限制措施：采用避雷器来抑制采用避雷器来抑制 2）切除电容性负载引起的过电压）切除电容性负载引起的过电压产生机理：产生机理：电容性负载是指流过电容器、电缆或空载电容性负载是指流过电容器、电缆或空载长线路等的电流。在断路器开断电容性设备的过程中，长线路等的电流。在断路器开断电容性设备的过程中，若断口上的恢复电压上升速度超过其介质强度的上升若断口上的恢复电压上升速度超过其介质强度的上升速度，即会

15、造成断路器开断时的电弧重燃。此时若断速度，即会造成断路器开断时的电弧重燃。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，从而引发产生过电压荡充分发展，从而引发产生过电压影响因素：影响因素：断路器的性能、中性点接地方式断路器的性能、中性点接地方式限制措施：限制措施：提高断路器的灭弧性能（使用真空开关）、提高断路器的灭弧性能（使用真空开关）、采用带并联电阻的开关采用带并联电阻的开关4）合闸空载长线路引起的过电压）合闸空载长线路引起的过电压产生机理：产生机理：在合闸长线路时，若线路的残余电压与电在合闸长线路时，若线路的残余电压与电源电

16、压极性相反，线路电压的初始值和稳态值的差值源电压极性相反，线路电压的初始值和稳态值的差值较大，则过渡过程中的暂态分量幅值较大，导致过电较大，则过渡过程中的暂态分量幅值较大，导致过电压较大。同时，加上空载长线路的电容效应，使合闸压较大。同时，加上空载长线路的电容效应，使合闸空载长线路时产生的过电压，可能达到额定电压的空载长线路时产生的过电压，可能达到额定电压的3倍。倍。限制措施：限制措施：通常采用带合闸电阻断路器，或采用专门通常采用带合闸电阻断路器，或采用专门装置来判断当断路器两端电压最低时合闸，或设法消装置来判断当断路器两端电压最低时合闸，或设法消除、消弱线路的残余电压。除、消弱线路的残余电压

17、。4）间歇性电弧接地引起的过电压）间歇性电弧接地引起的过电压产生机理：产生机理：电弧电弧间歇性重燃间歇性重燃限制措施：限制措施：采用消弧装置、采用消弧装置、将母线分段运行，减小接将母线分段运行，减小接地点电容电流地点电容电流 、减少带接地运行时间减少带接地运行时间、尽量、尽量不安排不安排母线电容电流较大的方式运行母线电容电流较大的方式运行、提高线路绝缘水平提高线路绝缘水平 ATP程序（程序（The Alternative Transients Program）是目前世界上电磁暂态分析程序（是目前世界上电磁暂态分析程序（EMTP(The Electromagnetic Transients Pr

18、ogram)最广泛使用最广泛使用的一个版本，其基本功能是进行电力系统仿真计的一个版本，其基本功能是进行电力系统仿真计算，典型应用是预测电力系统在某个扰动算，典型应用是预测电力系统在某个扰动(如开关如开关投切或故障投切或故障)之后感兴趣的变量随时间变化的规律。之后感兴趣的变量随时间变化的规律。ATP程序可对电力系统过电压进行仿真，包括操作程序可对电力系统过电压进行仿真，包括操作过电压和雷电过电压。过电压和雷电过电压。 二、二、ATP软件介绍软件介绍ATP程序仿真步骤程序仿真步骤:1.根据实际要求建立各个电力元件的根据实际要求建立各个电力元件的ATP程序等效程序等效模型；模型；2.输入各元件模型的参数；输入各元件模型的参数；3.作出仿真电路图；作出仿真电路图；4.设置仿真时间和仿真步长；设置仿真时间和仿真步长；5.运行运行runatp选项或通过选项或通过F2快捷键进行仿真；快捷键进行仿真； 6.运行运行plotXY命令进行所关心参数的波形绘制。命令进行所关心参数的波形绘制。EMTDC（Electro Magnetic Transient in