1 ATP的基本操作 1.1 起动

双击ATP/atpdraw目录下的atpdraw.exe 可打开如下图所示的窗口。

图1-1 ATP/atpdraw 的起动窗口

点击图1-1 的○中的按钮，可打开如下图所示的新建文件窗口。

图1-2 ATP/atpdraw 的新建文件窗口

1.2 设定

选择图1-2 菜单栏中的 ATP→Settings，建立各种设定用的对话框。

图 1-3 是设定计算条件用的对话框。 delta T：时间步长[s]。 Tmax：计算终止时间[s]。

Xopt：0 或空白时，电感元件的单位为 mH； 填入频率时，电感元件的单位为 ohm 。 Copt：0 或空白时，电容元件的单位为μF； 填入频率时，电容元件的单位为μmho 。 选择Time domain：暂态计算。

选择Frequency scan：频率扫描。 图1-3 计算条件

选择Hamonic[HFS] ：谐波计算。

选择Power Frequency：指定系统频率。 图1-4 是设定输出条件用的对话框。 Print freq：指定文本输出频率。 Plot freq ：指定图形输出频率。 选择Plotted output ：有图形输出。

选择Network connectivity ：输出节点连接表。 选择Steady-state phasors ：输出稳态计算结果。 选择Extremal values：输出极大值和极小值。

选择Extra printout control：改变输出频率。

选择Auto-detect simulation errors：在画面输出错误信息。 图1-4 输出条件

用图1-5 的对话框指定计算操作过电压的统计

分布时使用统计开关还是规律化开关。如有通用电 机，在该对话框指定初始化方法、所用的单位制和 计算方法。

图1-6 是指定数据卡排列方式和附加要求用的对 话框。图 7 是管理 MODELS变量名的对话框。图1-8 是设定参数值的对话框。

图1-5 开关和通用电机

图 1-6 数据卡的次序和附加要求 图1-7 MODELS 变量名 图1-8 参数值

1.3 选择元件和输入参数

将光标移至图 1-2 的空白部分， 并点击右键，将出现图 1-9 所示的菜 单。从菜单中选择目标元件后，将 在空白部分的中心出现该元件对应 的图标，如图 1-10所示。双击图标， 将出现输入该元件参数用的对话框， 如图1-11所示。然后按照 Help的提 示输入各参数。在所有参数输入完 毕后，点击 OK，结束该元件的建 模。

图1-9 元件菜单

图1-10 元件图标 图1-11 元件参数

1.4 辅助操作 1.4.1 连接

如图1-12所示，光标置于一个元件的端子，按下左键，将引线拖至另一个元件的端子，释放左键后再点击左键，结束连接的操作。

图1-12 元件的连接

1.4.2 移动

将光标移至目标图标，点击左键，确定选择对象（在该图标外围形成方框，以下同），按下左键，将该图标拖至希望的位置，然后释放左键，结束移动的操作。

1.4.3 复制

将光标移至目标图标，点击左键，确定选择对象。然后，点击图1-13的○中的按钮，复制目标图标。复制图标和原图标是重叠在一起的，按下左键，将复制图标拖至希望的位置，释放左键，结束复制的操作。

图1-13 复制

1.4.4 旋转

将光标移至目标图标，点击左键，确定选择对象。然后，点击右键或点击图1-14的○中的按钮，旋转目标图标。每点击一次，顺时针旋转 90°。

图1-14 旋转

1.4.5 节点赋名

将光标移至目标节点，点击右键，生成图 1-15所示 的节点赋名用对话框。在该框内可填入节点名（6 个符 号之内），并可指定是否显示节点名。如该节点是大地， 则不需填写节点名，但需选择 Ground栏。

如没有对节点赋名，程序将自动给节点赋名。 图1-15 节点名

1.5 ATP 的执行

选择图 1-2 菜单栏中的 ATP→run ATP，可生成文本输入文件（.ATP 文件），并执行 ATP。 如选择图 1-2 菜单栏中的 ATP→Mark File As，则只生成文本输入文件（.ATP 文件），而不执行ATP。

1.6 计算结果的输出 1.6.1 图形输出

选择图 1-2 菜单栏中的 ATP→PlotXY，可输出用波形表示的计算结果（.pl4 文件）， 1.6.2 文本输出

选择图 1-2 菜单栏中的 ATP→Edit LIS-file，可生成文本表示的计算结果（.lis 文件）， 文本输出文件重复文本输入文件的内容，并用表格形式输出暂态计算结果，给出警告信 息和错误信息，还可输出电路的节点连接表、稳态计算结果（复数表示）和暂态过程的极值。

2. ATPDraw 的元件菜单

ATPDraw 的元件菜单如图9 所示。为了构筑各种计算电路，ATPDraw准备了各种各 样的电力系统元件。TPDraw 的元件菜单中，还有输出用的各种探针、单相表示和三相表 示的转接器及线路换位器。

2.1 探针和相接续器[Probes & 3-phase]注 (1) 节点电压探针[Probe Volt]

(2) 支路电压探针[Probe Branch volt] (3) 支路电流探针[Probe Curr]

(4) 指定TACS 变量的输出[Probe Tacs] (5) 三相表示与单相表示的转接[Splitter] (6) 换位ABC→BCA[Transp1]

(7) 换位ABC→CAB[Transp2] (8) 换位ABC→CBA[Transp3] (9) 换位ABC→ACB[Transp4]

(10) 指定ABC相序的基准节点[ABC Reference] (11) 指定DEF相序的基准节点[DEF Reference] 2.2 线性支路[Branch Linear] (1) 电阻元件[Resistor] (2) 电容元件[Capacitor] (3) 电感元件[Inductor] (4) RLC 串联支路[RLC]

(5) 3相耦合RLC 支路[RLC 3-ph] (6) 3相Y 形连接[RLC-Y 3-ph] (7) 3相Δ形连接[RLC- Δ 3ph] (8) 有残留电压的电容[C: U(0)] (9) 有残留电流的电感[L: I(0)]

2.3 非线性支路[Branch Nonlinear]

(1) 折线表示的非线性电阻(时间滞后型)[R(i) Type 99] (2) 折线表示的非线性电阻(补偿型)[R(i) Type 92] (3) 时变电阻(时间滞后型) [R(t) Type 97] (4) 时变电阻(补偿型) [R(t) Type 91]

(5) 折线表示的非线性电感(时间滞后型)[L(i) Type 98] (6) 折线表示的非线性电感(补偿型)[L(i) Type 93]

(7) 磁滞曲线表示的非线性电感(时间滞后型)[L(i) Type 96]

(8) 磁滞曲线表示的非线性电感(时间滞后型)[L(i) Hevia 98 →96] (9) 指数函数表示的非线性电阻(补偿型)[MOV Type 92]

(10) 指数函数表示的三相非线性电阻(补偿型)[MOV Type 3-ph] (11) TACS 控制的非线性电阻(补偿型)[R(TACS) Type 91]

(12) 带剩磁的、折线表示的非线性电感(时间滞后型)[Type 98, init] (13) 带剩磁的、磁滞曲线表示的非线性电感(时间滞后型)[Type 96, init] (14) 带剩磁的、折线表示的非线性电感(补偿型)[Type 93, init] 2.4 架空线路/ 电缆[Lines/Cables] 2.4.1 集中参数[Lumped]

(1) 单相或多相π型电路[RLC Pi-equiv. 1] (2) 多相耦合RL电路[RL Coupled 51]

(3) 对称分量表示的多相耦合RL电路[RL Sym. 51] 2.4.2 带集中电阻的分布参数线路[Distributed]

(1) 换位线路用的Clarke模型[Transposed lines (Clarke)] (2) 不换位线路用的KCLee模型[Untransp. lines (KCLee)] 2.4.3 自动计算参数的架空线路/ 电缆模型[LCC] (1) 带集中电阻的分布参数线路[Bergeron] (2) π型电路[pi]

(3) J.Marti 频率相关分布参数线路模型[JMarti] (4) Semlyen 频率相关分布参数线路模型[Semlyen] (5) 野田频率相关分布参数线路模型[Noda]

(6) 从既有pch 文件建立LCC模型[Read PCH file] 2.5 开关[Switches]

(1) 时控开关[Switch time controlled] (2) 三相时控开关[Switch time 3-ph] (3) 压控开关[Switch voltage contr.] (4) 二极管[Diode (type 11)] (5) 可控二极管[Valve (type 11)] (6) 三极管[Triac (type 12)]

(7) TACS 控制开关[TACS switch (type 13)] (8) 测量开关[Measuring]

(9) 统计开关[Statistic switch]

(10) 规律化开关[Systematic switch] 2.6 电源[Sources]

(1) 直流电源[DC type 11]

(2) 单斜角波电源[Ramp type 12]

(3) 双斜角波电源[Slope-Ramp type 13] (4) 交流电源[AC type 14]

(5) 冲击波电源[Surge type 15]

(6) Heidler 冲击波电源[Heidler type 15] (7) Standler 冲击波电源[Standler type 15] (8) Cigre冲击波电源[Cigre type 15] (9) TACS 控制电源[TACS source] (10) 三相交流电源[AC 3-ph type-14] (11) 不接地交流电源[AC Ungrounded] (12) 不接地直流电源[DC Ungrounded] 2.7 电机[Machines] (1) 同步电机[SM59]

(2) 用通用电机表达的同步电机[UM1 Synchronous] (3) 用通用电机表达的感应电机[UM3 Induction]

(4) 用通用电机表达的感应电机(双向励磁)[UM4 Induction] (5) 用通用电机表达的单相感应电机[UM6 Single phase] (6) 用通用电机表达的直流电机[UM8 DC] 2.8 变压器[Transformers]

(1) 单相理想变压器[Ideal 1 phase] (2) 三相理想变压器[Ideal 3 phase] (3) 单相饱和变压器[Saturable 1 phase] (4) 三相饱和变压器[Saturable 3 phase] (5) Y-Y 内铁式变压器[# Sat. Y/Y 3-leg] (6) 三相变压器参数计算[BCTRAN] (7) 单相变压器参数计算[XFRM] 2.9 控制系统[TACS] 2.9.1 信号源[Sources]

(1) 直流信号[DC-11] (2) 交流信号[AC-14] (3) 脉冲信号[Pulse-23] (4) 斜角波信号[Ramp-24]

(5) 指定type-90 、type-91 、type-92 、type-93 信号源的相应节点、开关或电机内部变量[Coupling to Circuit]

2.9.2 传递函数块[Transfer functions]

(1) 一般型[General] (2) 积分型[Integral] (3) 微分型[Derivative] (4) 低通滤波器[Low pass] (5) 高通滤波器[High pass] 2.9.3 特殊装置[Devices]

(1) 频率测量器[Freq sensor - 50] (2) 继电器[Relay switch - 51] (3) 触发器[Level switch -52] (4) 延迟器[Trans delay - 53]

(5) 脉冲延迟器[Pulse delay - 54] (6) 数值采样器[Digitizer - 55]

(7) 用户定义非线性[User def nonlin - 56] (8) 时序开关[Multi switch - 57] (9) 可控积分器[Cont integ - 58] (10) 简化微分器[Simple deriv - 59] (11) 条件判断输出器[Input IF - 60] (12) 选择输入器[Signal select - 61] (13) 采样和追踪器[Sample track - 62]

(14) 最小值和最大值选择器[Inst min/max - 63] (15) 最小值和最大值追踪器[Min/max tracking - 64] (16) 累加器和计数器[Acc count - 65] (17) 有效值测量器[RMS meter - 66]

(18) Fortran 语言表达式[Fortran statements]

(19) 指定Fortran 语言表达式的输出流向[Draw relation] 2.9.4 初始化

(1) 指定TACS 变量的初始值[Initial cond.] 2.10 频率相关元件[Frequency Comp.] (1) 频率扫描用交流电源[HFS Source] (2) 单相CIGRE负荷[CIGRE Load 1 ph] (3) 三相CIGRE负荷[CIGRE Load 3 ph] (4) 线性RLC[Linear RLC]

(5) Kizilcay 频率相关支路[Kizilcy F-Dependent] 2.11 复制

(1) 选择己定义的LIB 文件，在ATP 文件中增加$INCLUDE 文[Library] (2) 选择己定义的LIBREF_1 文件，建立单相参考支路[Ref. 1-ph] (3) 选择己定义的LIBREF_3 文件，建立三相参考支路[Ref. 3-ph] (4) 选择己定义的SUP文件，在 ATPDraw 窗口增加新元件[Files] (5) 从标准元件库选择元件增加到ATPDraw 窗口[Standard Component] 注：[ ] 内是ATPDraw为该元件设定的名称

3 防雷计算中电气设备的等效模型及参数设置

对于变电站的等效模型，主要有交流电源、杆塔、输电线、避雷器、隔离开关、断路器、电压互感器、电流互感器、变压器等模型。为模拟雷击过程，主要有雷电流模型、绝缘子闪

络模型。

3.1电源模型 （1）模型选择

对一条或几条线路进行过电压研究时，被研究的线路节点称为内部节点，内部节点外的节点称为外部节点。

在ATP仿真中，内部节点和外部节点的等效电源均用一理想三相电压源Ac3ph.sup

表示。外部节点的等效电源阻抗，用一个集中参数的线路元件Linesy_3.sup

来等效，之所以采用线路元件而不是直接用Rlc_3.sup阻抗元件，是因为还要反应出电源的零序参数。内部节点的等效电源阻抗，模型选用Linesy_3.sup

元件或不反映零序参

数的Rlc_3.sup 阻抗元件。用Rlc_3.sup的原因是由于BPA计算得到某些内部节点等效阻抗中可能出现零序电感或电阻值为负值的情况，此时如果仍采用集中参数的线路元件Linesy_3.sup就会出现计算错误情况。

故外部等效电源及阻抗在ATP中由

或

模型表示。

模型表示。内部等效电源及阻抗由

（2）参数设置

Ac3ph.sup模型输入参数包括三相电源电压幅值，频率，初始相角，电源投入时间，电源退出时间。参数由BPA计算结果给出。

Linesy_3.sup模型输入参数包括三相线路正序、零序电阻，正序、零序电抗。参数由BPA计算结果给出。

Rlc_3.sup模型输入参数包括三相线路电阻、电感与电容。参数由BPA计算结果给出。

3.2 线路模型 （1）模型选择

外部节点与内部节点相连的线路称为外部线路， ATP中采用可反映长线特征的波阻抗线路模型Linezt.sup

表示，输入参数由BPA计算结果给出。

内部节点输电线路模型采用较精确反映长架空线路特征LCC模型元件 。Model

卡中计算模型方法有Bergeron、PI、因Bergeron特征线方法能较好的模拟输电线路的暂态过

程，故计算采用具有分布参数的Bergeron特征线方法。LCC模型参数由实际输电线路的基本属性、几何参数等给出。

（2）参数设置

LCC模型中有Model卡和Data卡两个设置项。Model卡中有输电线路类型、输电线路长度、计算频率、土地电阻率、计算模型方法等设置。Data卡设置为输电线路的基本的几何参数。

以施秉－黎平的一回输电线路为例，Model卡和Data的设置分别如图3-1、图3-2所示。具体设置方法可参见ATP软件说明。

图3-1 LCC模型Model设置卡

图3-2 LCC模型Data设置卡

（3）实例

以施秉－黎平、黎平－桂林两条单回紧凑型线路为例，采用线路模型如图3-3所示。

图3-3 两条单回紧凑型线路模型

以桂林－清远两条同杆紧凑型线路为例，为考虑两线路间的电磁耦合作用，应采用线路模型Lcc_6.sup

。为了实现换位，将线路分段，采用线路模型如图3-4所示。

图3-4 同杆紧凑型线路模型

3.3铁塔模型

在计算短时间交流过电压和操作过电压时，一般省略鉄塔的模拟，只考虑接地电阻。但在计算雷过电压时，鉄塔的冲击波特性的模拟就很重要了。

鉄塔模型应具备的条件

作为实用的鉄塔模型应具备以下的条件。 (1) 初姶的塔顶阻抗在100～200Ω的范围内。（此是在雷道阻抗为400Ω的前提下） (2) 从塔脚返回的反射波应呈现衰减。

(3) 在经过一定时间后，塔頂阻抗应等于塔脚接地电阻。 (4) 从塔脚返回的反射波有畸变。 (5) 可用EMTP计算。 3.3.1 无损线路模型

这是用和鉄塔高相当长度的无损线路来模拟鉄塔，不能表现从塔脚返回的反射波的衰减和畸变。IEEE的输电线雷事故率计算程序FLASH准备了图3-5所示的四种鉄塔模型。

r1Z2 h2 r2DZ1HH h1 r2r3r3 Shape3 Shape4Shape2Shape1 的鉄塔模型 图3-5 IEEE FLASH 这四个模型中的前三个用于一般鉄塔，它们的波阻抗用3.1)式～(3.3)式计算，铁塔内的冲击波传播速度v为光速的0.85倍。

Zshape12(H2?r32)?60ln (3.1)

r3Zshape2?60ln22H?60 (3.2) r2Zshape3?式中，

?ravg??1?1?60?lncot(tan)?ln2? (3.3) 42h1?h2??ravg?r1h2?r2(h1?h2)?r3h1 (3.4)

h1?h2r1、r2、r3为铁塔断面的内接园半径。

图3-5的第4个鉄塔模型的波阻抗用(3.5)式计算。

Zshape4?Z1Z2 (3.5)

Z1?Z2式中，Z1是园柱的波阻抗，Z2是水平园筒和园柱波阻抗的加权平均值。

Z1?60ln22H?60 (3.6) r2H?HZ1)/(H?D) (3.7) rZ2?(D?60ln3.3.2 細分化模型

即将鉄塔分解成主材、斜材和横担，分别用线路模型模拟。原模型属于这种模型。 原模型用无损线路的组合构成，由于各段的波阻抗不同，等价地模拟了行波的畸变，但不满足条件(2)。

以下介绍双回路鉄塔的原模型，如图3-6所示。

RT1rT1ZT1rT2RT3ZT2rT3RT4rT4ZT3ZL3ZA4h4h3h2h1ZT4ZL4ZA3ZL2ZL1ZA2ZA1RT2RB'RBRGrBrB' 图3-6 原模图

(1) 主材

ZTk?60(ln式中，

22hk?2) (k?1,2,3,4) (3.8) rek1/43/4?8?3?'2?'2?32??rTk?rB???RTk?RB? (k?1,2,3)?????? （3.9） rek??1/43/42?2??82???33????r?r?R?R???? (k?4)B??TkB??Tk??????(2) 斜材

实验表明由于斜材的存在波阻抗大约下降10%左右。斜材的波阻抗用下式计算，而斜材的线路长设为相应主材线路长的1.5倍。

(3.10) ZLk?9ZTk (k?1,2,3,4)(3) 横担

横担可以当作通常的水平导体来计算波阻抗。

ZAk?60ln2hk (k?1,2,3,4) (3.11) rAk式中，ｒAk为等价半径，取横担和主材的连接长度（即横担和塔身的连接断面的上边和下边之和）的1/4。

3.3.3 四段模型 用上相、中相和下相的横担位置将铁塔分成4段，用无损线路和R-L并联电路的串接来模拟铁塔，如图3-7所示。本模型用集中电阻实现冲击波的衰减，为了体现高频领域衰减大、低频领域衰减小，用电感和电阻并联。

当鉄塔的上部和下部的波阻抗相同时，用铁塔全体的衰减系数γ和各段相应的长度h1、h2、h3、h4计算各段的参数，如下式所示。

r??2Zt?ln? (3.12) HRi?r?hi (3.13)

?2H?Li?????Ri?????V???Ri (3.14)

?t?式中，ｒ：单位长电阻，H=h1+h2+h3+h4：鉄塔的全高，Zt：鉄塔波阻抗，τ：冲击波在鉄塔中的往复传播时间，Vt：在鉄塔中的传播速度，α：时间常数Li/Ri与τ之比。而图2.3中的Rf为接地电阻。

当鉄塔的上部和下部的波阻抗不同时，用下式计算各段的参数。

-2Z1 ln ?

Ri = (h1 + h2 + h3) hi ( i = 1, 2, 3) (3.15) R4 = -2Z2 ln ? (3.16) (2H)

Li = ? Ri V ( i = 1, 2, 3, 4) (3.17)

t●ZT1h1R1●L1ZT2h2R2●L2ZT3h3R3●L3ZT4h4R4●L4Rf 本模型满足上述的对于铁塔模型的各种要求。模型的参数是按照能够重现各相招弧角电压的实测波形来选择的。冲击波的传播速度Ｖt为光速，取时间常数L/R等于鉄塔内冲击波往复传播时间τ(即α=1)。鉄塔上部的波阻抗ZT1和下部的波阻抗ZT2、鉄塔内的衰减系数γ根据情况可取不同的值，如表3-1所示。

表3-1 四段模型的参数 ZT1(Ω)/ZT2(Ω) γ 电压等级 220/150 0.8 500kV 小电流实验 120/120 0.7 UHV 小电流实验 200/135 0.8 实际雷击观测 80/80 0.8 实际雷击观测 120/120 0.8 实际雷击观测 图3-7 四段模型

这个模型的最大缺点是参数的选定不能反映铁塔的大小和形状。 3.3.4 单波阻抗模型 对于图3-6的同杆双回塔，也可应用更为简单的单波阻抗模型，如图3-8。对波阻抗的参数设置如图3-9，其中长度length表示了杆塔的实际尺寸，因此这个模型很好的描述了杆塔结构，但是是一种较为粗糙的模型。杆塔模型底部为杆塔接地电阻，可根据经验取值。

图3-8

图3-9 波阻抗参数设置

3.4避雷器模型

3.4.1 氧化锌避雷器的伏秒特性

在500kV变电站中，由于金属氧化物非线性电阻片具有优异的非线性伏秒特性，在雷电侵入波保护当中占有重要地位。

氧化物避雷器的主要成分为氧化锌，通常也称其为氧化锌避雷器（MOA），其良好的防雷特性取决于其电阻片优越的非线性特性：其全伏安特性如图3-10。

3低电场区I中电场区II10?3100103高电场区III10?5

图3-10 氧化锌避雷器伏安特性

通常将伏安特性分为3个典型区域，分别为小电流区、非线性区和饱和区。在小电流区，通过阀片的电流在1mA以内，这样，在正常工作电压下，流过避雷器的电流非常小，可近似认为续流为0，因此无需安装串联间隙隔断工频续流。在非线性区，非线性系数大大下降即使电流急剧上升，电压也无太大变化。这样，当雷电流侵入时，避雷器上的残压很小。在

GIS中，氧化锌避雷器能起到非常好的防雷作用。 3.4.2 非线性电感和电阻模型

在仿真计算中，可以用非线性电感模型中非线性元件L和R来模拟陡波头电流下的V-I磁滞特性。氧化锌避雷器具有电流波头越短，电压最大值的发生时间比电流最大值的发生时间越前、电压最大值上升的特性。

元件模型的端电压V（t）由非线性电阻R（i）和非线性电感L（i）分担，如（3-15）所示：

v(t)?R(i)i(t)?L(i)di (3-15) dt

图3-11 避雷器模型 图3-12 非线性电感参数设置 避雷器模型采用非线性电感和非线性电阻模拟，如图3-11。非线性电感参数设置如图3-12。非线性电阻参数采用几组伏安特性参数来描述，可以近似模拟出避雷器的伏安特性，如图3-13和3-14。

图3-13非线性电阻伏安特性参数 图3-14非线性电阻伏秒特性曲线

3.5雷电流模型

雷击大地时，通常要先经过先导放电，然后才是主放电

iZ0Z过程。研究表明，先导通道具有分布参数的特征，称其为雷电通道，其波阻抗为Z0 。在防雷设计中，一般取雷电流通道

的波阻抗Z0为300Ω，Z为被击杆塔，如图3-15。

图3-15 雷电流通道等效图 （1）雷电流参数的选取

我国一般地区雷电流幅值超过I的概率可按下式求得： logPI??I (3-16) 88年平均雷暴日在20及以下地区，雷电流幅值较小，雷电流幅值超过I的概率为：

logPI??I44 (3-17)

标准雷电冲击波其波头部分可用双指数函数表示（如图3-16（a））：

i?I0(e??t?e??t) (3-18)

在线路防雷设计中，波头部分可简化为斜角波头（如图b），而在设计特性高塔时可取余弦波头（如图c）。

iI1I21I2iIiI1I2T1T2(a)tT1(b)tT1(c)t图3-16 雷电冲击波波形设计

在500kv系统中，根据所建的模型，需确定最大雷电流计算值。而此值在我国规程尚无此具体规定，太高，造成浪费，太低则不安全。一般情况下，国际上最大雷电流计算值取150kA，西欧则取250kA。根据我国国情，一般取值为210~220kA，大于或等于它的概率为3.16%~4.11%。

（2）雷电流模型示例

图3-17 雷电流仿真模型 图3-18 雷电流参数的设定

3.6 绝缘子闪络模型 3.6.1绝缘子闪络判据

如图3-19所示，当绝缘子串上出现的过电压高于绝缘子串伏秒特性时，我们即可判定绝缘子串发生闪络，闪络时刻即为两曲线相交的第一时刻。其中相应的时刻t1为闪络时刻，U1为闪络电压，由绝缘子串电压波形和绝缘伏秒特性曲线共同决定。

U绝缘子两端电压波形绝缘子伏秒特性曲线U1t1图3-19 绝缘子特性曲线

t3.6.2 绝缘子串伏秒特性的模拟

绝缘子串伏秒特性指的是绝缘子串上出现的电压最大值放电时间的关系曲线。伏秒特性通常由实验的方法得出。当击穿发生在波前时，击穿电压以当前50%放电电压为准；发生在波尾时，以峰值电压为准，此时的击穿实际上是50%放电电压峰值作用的结果。实际上，工程中各种绝缘子的伏秒特性参数都是可查的，通过简单的拟合就可得到对应的伏秒特性公式。 3.6.3 绝缘子两端电压波形模拟

雷击塔顶时，绝缘子串两端的电压为：V(t)=Vtop(t)+Vg(t)-Vf(t)，即塔顶电位（Vtop）,感应雷过电压（Vi）,工频过电压（Vf）。

雷击塔顶时，由于杆塔波阻抗、冲击接地电阻的存在，虽然避雷线可以起到一定的分流作用，，但由于雷电流幅值大，陡度很高，仍能在塔顶感应出很高的电压。显然，当线路电压为U1，而横担电压为U时，塔顶电位Vtop=U1-U。

雷直击输电线路杆塔塔顶时，除了在塔顶产生高电位外，放电通道周围的空间电磁场急剧变化，在导线上将出现雷电感应过电压。感应雷过电压主要通过一些规程公式进行计算，并没有一个确定的方法，可根据不同的计算要求选择合适的规程公式得到感应过电压表达式。

一般来说，相对于雷电冲击电压，电路本身的工频电压很小，在计算雷电过电压时可以简化忽略不计。但对于500kV等高压电路，由于其电压等级高，在考虑雷电线路反击时，在绝缘子两端电压中会占有相当大的比例。因此在高压线路仿真时要考虑工频过电压。 3.6.4绝缘子串闪络模型 绝缘子串闪络模型的建立使用了TACS组件，可求和传递函数块G（s）、DEVICE装置、内部信号源、FORTRAN表达式等。绝缘子串闪络仿真模型如图3-20。

图3-20 绝缘子串闪络仿真模型

其中，52＃中的驱动信号模拟绝缘子串两端的电压曲线、有名＋固定阈限值模拟绝缘子串的伏秒特性曲线，当某一时刻驱动信号≥有名＋固定阈限值时，52＃特殊装置内部的开关闭合，其输出为一正数，将一个由其输出控制开关状态的13＃TACS开关闭合。此TACS开关相当于绝缘子串，打开状态为绝缘子串正常状态，闭合状态为绝缘子串闪络状态。由于TACS开关时闭时合，而绝缘子串闪络后不会恢复正常，所以要采取措施，必须使TACS开关一次闭合后就不再打开。可行的方法是在52＃特殊装置的输出端，即在TACS开关的控制端前加一个64＃特殊装置。这样，52＃特殊装置输出一旦为正数，就始终为此数不变，从而TACS开关一次闭合后就不再打开，正确地模拟了绝缘子串的闪络特性。

3.7变压器

(1) 电容模型

一般雷过电压计算用于避雷器配置等変电站对外部侵入过电压的绝缘配合研究，对于変压器通常只计算端子电压。此时通常用冲击波侵入电容模拟変压器。

冲击波侵入电容由绕组对地电容、绕组间电容、绕组内部的串联电容等构成，其中最主要的是绕组对地电容和绕组间电容。作为参考，表3-2给出了各种设备的冲击波侵入电容标准值。

表3-2 冲击波侵入电容标准值 电压等级 变压器(pF) PT(pF) 绝缘套管(pF) 500 275 220 187 154 110 77 66 3000 2500 2500 2500 1500 1500 1000 1000 100 50 200 200 (2) 频率响应特性模型 可如图3-21所示，用RLC串并联电路模拟変压器的频率响应特性。这个模型模拟的変压器的共振点愈多精度愈高，但建模愈费时。从简化的角度，可只模拟変压器从电感性转变为电容性时的並联共振点，此时对雷过电压这个模型有和集中电容模型相同的响应特性，而且只比较変压器端电圧幅值的话，也和集中电容模型大致相同。

●

LaLbLk

L1RdCs

RaRbRk

CkCaCb

●

图3-21 频率响应特性模型

Z?Z(f), fi?1/(2?LiCi), i?a,b,?,k

(3) 过电压转移模型

掌握从变压器的高压侧侵入低压侧的转移电压特性，对保护水电站等低压侧设备(发电机等) 尤其重要。变压器的转移过电压包括绕组间的静电转移成分和电磁转移成分。静电转移电压由一次绕组与二次绕组间的电容和二次绕组的对地电容决定的分压比产生。电磁转移电压基本上取决于一次绕组与二次绕组的匝数比，但二次侧是否与线路连接有影响。

由于频率高，铁芯的影响变小，与空心电感相近。由于铁芯的饱和特性基本失去影响，大多数情况下可忽视铁芯的磁化特性。在同时考虑电磁转移时，使用图3-22所示的模型。

C12/2

C12/2 R1L1L2R2●●

C11C1/2C2/2C22C2/2C1/2

●●

图3-22 过电压转移模型 (4) 同时考虑频率相关特性和过电压转移特性的变压器模型

同时考虑频率相关特性和过电压转移特性时，建议采用图3-23所示的模型，即将TRANSFORMER模型中的漏感和电阻取微小值，把它们置换成外部的频率相关电路。这个模型是基于工频模型的，可用于交流过电压计算。 C12 ZwindingC4C1C2C312 C1-GC2-G L11L31L12L21L41ZmL0R0 1'R11R21R41R12R312' (a)变压器模型(b)Zwinding的RLC电路 图3-23 同时考虑频率相关特性和过电压转移特性的变压器模型 (5) 内部模型 一次側绕组二次側绕组

图3-24 内部模型 在这个频域有时要研究雷过电压侵入波引起的变压器绕组内部的暂态现象，此时可使用图3-24所示的RLC梯形等值电路。这个等值电路以线圈为单位，可详细计算内部的暂态过程。通常考虑各个线圈内部的电容、线圈间的电容、线圈的自电感、线圈间的互电感，以及衰减。但是制作这个模型，要求包含绕组构造和绝缘构造在内的变压器详细数据，因此通常各厂家使用各自开发的专用程序。