emtp

模型

1.1 接地体数学模型

单位长度的接地体单元数学模型

采用双型等效电路表示接地体单元，模型由对地电导 G0，对地电容 C0，自感 LP0 和互感 Mp0k0

构成。由于雷电流的高频特性，接地体电阻远小于电感，所以忽略不计。对交叉平行的接地体之间的互感可以忽略不计，相互垂直的接地体之间的互感为零。得到单位长度的接地体单元数学模型中各参数计算公式下图所示。

1.2 ATP 接地体单元模型

为减少相邻接地体的屏蔽作用，根据《电气装置安装工程接地装置施工及验收规范》，水平接地体的间距应符合设计规定，当无设计规定时不宜小于 5 m。而当两接地体间距达到 10 m 及以上时，互感为自感 5%以下，可忽略不计。因此在该 ATP 模型中只考虑相邻的平行的接地体之间存在的互感。根据数学模型建立单根接地体的 ATP 模型下图所示。

接地体单元 ATP 模型

仿真分析

根据变电站实际地网铺设情况，用接地单元网格模型搭建 4×4 的局部接地网。本文中，各参数取值如下：接地体等效半径 r=0.116 m，埋深 h=0.8m，土壤相对介电常数 εr=5?。

2.1 土壤电阻率对地网电位的影响

根据《接地系统的土壤电阻率、接地阻抗和地面电位测量导则》，笔者主要研究常见土壤电阻率下的地电位防护措施效果。采用的网格大小，雷电流用双指数函数模拟。在点 1 注入波头时间为，波长，幅值的雷电流，测量 1、2 和 4 点在不同土壤电阻率下的冲击电压。作出 300 Ω·m 下的波形；记录不同电阻率下 1、2、4 点的电压峰值；并做出电压峰值与电阻率的变化曲线。

入地网时，点 1 的电压最大，点 2 次之，点 4 最小，这是由于地网散流的结果，远离雷电流注入点冲击电压减小；各点电压峰值随着土壤电阻率的增大而增大；根据数据计算得各点的电压峰值随电阻率的变化率比较大，电阻率从 300 Ω · m 增大到 3 000 Ω · m时，点 1 的电位变化率达到 3.38%，点 2 为 2.38%，点4 为 2.20%。电阻率的大小直接影响到接地电阻的大小，接地电阻与电阻率成线性关系。接地电阻越大，越影响地网流效果。当变化率很大的雷电流进入地网时，形成时间极短的暂态过程，引起很大的冲击电压。所以，通过降低电阻率从而减小接地电阻对于防护地电位干扰作用具有很好的效果。

2.2 网格大小对地网电位的影响

研究网格大小对地电位干扰的影响时，通过在不同土壤电阻率下，改变网格大小研究其地电位防护效果。雷电流用双指数函数 I（t）=Im（e-αt-e-βt）模拟，网格都是方形的。在点 1 注入波头时间为 2.6 μs，波长 50 μs，幅值 10 kA 的雷电流，测量点 1、点 2 和点4 在不同边长的网格下的电压。

采用 ATP 仿真软件，建模分析了改变电阻率和网格大小对地电位的影响，得出：

（1）地网节点电压随土壤电阻率的增大而不断增大，且变化率较大。

（2）地网节点电压随着网格的增大而逐渐减小，但变化率较小。

通过上述结论可以得出，改变减小电阻率和增大网格大小都可以降低接地电阻的大小，起到降低地电位的作用，从而起到防护地电位干扰的作用。通过改变电阻率大小起到的防护效果比改变网格大小要显著。因此，在实际中，可以主要采取减小电阻率，同时在满足设计要求的前提下，适当增大网格大小以减小地网电位的干扰作用。

应用

当变电站遭受雷击时，雷电流由接地引线注入地网，使地网节点间产生很高的电位差，可引起设备二次干扰导致误动作或不动作，甚至造成损坏。对于雷电流在地网上产生的干扰作用，目前采用的主要防护的措施有：降低接地网的接地电阻；采用方孔地网改善地电位分布；等电位连接；金属屏蔽接地。

降低接地网接地电阻主要是减小土壤电阻率，通过ATP-EMTP仿真软件，分析地网冲击电压随电阻率改变的变化规律，得出改变电阻率对地网电位防护的效果；还通过改变方孔地网的大小，分析地网电位的变化规律，得出改变网孔大小对地电位的防护效果。

发展趋势

精确的元件模型和参数是系统暂态仿真可信度的重要保证。一方面，随着电力电子技术例如高压直流输电(HVDC)和灵活交流输电系统(FACT)S元件在电力系统中的广泛使用，有必要考虑它们的快速暂态特性对系统机电暂态特性的影响。另一方面，氧化锌避雷器(MOV)等非线性元件引起的波形畸变在精确仿真时也不容忽视。另外，不换位的同杆并架线路使电网处于不平衡运行状态，干扰了邻近发电机的正常运行。因此，传统的机电暂态仿真程序对此类元件采用准稳态相量模型的做法已难以适应现代电力系统仿真的要求，有必要寻找新的解决途径。

EMTP程序主要用于模拟计算电力系统的电磁暂态过程,ATP是EMTP的一个版本。ATP一EMTP程序具有规模大功能强、模拟真实等优点，目前在我国高等学校、科研、设计和制造等部门都得到了广泛应用。程序可以求解包括集中参数的线性和非线性电阻、电感、电容电路，多相7r型电路，多相分布参数电路，各种类型的开关、变压器、源和控制系统等组成的大型电力系统的稳态或暂态过程。另外，ATP一EMTP程序也广泛应用于电力电子领域的仿真计算。

目前关于用EMTP进行电力系统电磁暂态仿真计算的研究主要集中在以下4个方面:

l)详细的元件建模和控制，网络采用高度简化的模型；

2)EMTP在过电压计算中的应用，网络规模几十个节点 ? ;

3)在继电保护分析中的应用 ? ;

4)EMTP控制系统和潮流计算的改进。

这些研究均未涉及应用EMTP进行大型电力系统的潮流计算和暂态稳定计算。在江苏电力试验研究院大力支持下，开展了此项研究。通过对江苏苏北电网进行ATP一EMTP暂态稳定仿真计算的实践，比较分析用ATP一EMTP进行大系统暂态稳定计算的必要性和可行性。