ATP—EMTP在电力系统过电压教学中的应用

邱巍+高振国+于力+韩刚+鲍洁秋

摘要：应用仿真软件建立模型可作为课堂辅助教学手段，有助于提高教学效果。以合空载线路为例，采用ATP-EMTP仿真软件建立线路过电压模型，分别采用合闸电阻、避雷器限制过电压，探讨将数字仿真软件应用于教学实践的教学方法。

关键词：教学方法；ATP-EMTP仿真软件；空载线路合闸；应用

中图分类号：TM864 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）03-0039-03

电力系统过电压是高电压技术课程的重要组成部分。在电力系统过电压相关内容的教学中，将应用ATP-EMTP仿真软件模拟过电压产生的暂态过程，作为课堂辅助教学手段，可以提高课堂教学效率，促进学生掌握基础理论。本文探讨在教学实践中利用数字仿真软件建立模型的教学方法，以某500 kV架空输电线路为例，模拟空载线路合闸过电压的产生，并分别采用合闸电阻、避雷器限制过电压。

1 ATP-EMTP数字仿真软件简介

ATP（The Alternative Transients Program）软件用于电磁暂态分析，是电磁暂态分析程序EMTP应用得最为广泛的一个免费版本，它包含有多个集中元件、分布参数、线性与非线性元件、依赖于频率变化的线路、各类型开关、电力电子元件、变压器及电机、多种类型电源等近70个原件模型，可以模拟、分析对称或非对称干扰（如接地、雷击）和任何形式的开关操作，几乎可以对任何复杂电力网络进行稳态和暂态仿真分析。

2 500 kV合空载线路仿真模型的建立

教材中对空载线路合闸过电压的产生机理进行了详细叙述，但并未列出系统状态改变产生过电压后电压随时间变化的曲线，所以选用这部分内容进行仿真。仿真对象为某一电压等级为500 kV、长度为 384 km的架空输电线路。电源采用500 kV三相交流电，相电压幅值为U=500/3（kV）=408.2（kV），频率为50 Hz，电源电抗为210 Ω。输电线路模型采用基于频率的J.Marti模型，全线分成4段均匀换相。空载合闸过电压原理图及仿真模型分别如图1和图2所示，模型中接入3个电压探针，分别读取电源端、线路首端及末端的电压值。

J.Marti输电线路采用LCC模块，设线路杆塔为同塔双回路架线的直线塔。模块中输电线路及架空地线的参数设置分别按LGJ-500/65和JBL4-95选取：导线的内、外径分别为1.72 cm和15.48 cm，直流电阻为0.057 6 Ω/m；架空地线的内、外径分别为1.50 cm和6.24 cm，直流电阻为0.457 5 Ω/m。导线采用四分裂，分裂距离45 cm，大地电导率取100 Ω/m。

3 空载线路合闸仿真

空载线路的合闸仿真通过关合断路器来实现，断路器的关合采用三相时控开关控制，设A，B，C三相完全同期合闸，合闸时间为33.1 ms，仿真步长为0.000 01，仿真时间为0.20 s。由于容性效应，长空载线路最高电压出现在线路末端。空载线路合闸后，过电压波到达开路的线路末端后会发生正全反射，造成末端电压进一步升高，线路末端的电压为仿真时的最大电压。这可以帮助学生理解为什么选择线路末端读取过电压结果。线路末端三相过电压仿真结果如图3所示。

由图3的仿真曲线可知：在合闸后瞬间，A，B，C三相最高电压分别达到774 kV（1.90 p.u.），792 kV（1.95 p.u.）和739 kV（1.81 p.u.）；B相出现的最高过电压与理论过电压值2.00 p.u.接近。以上结论与教材理论分析中所述的“非重合闸线路合闸时最大过电压为2.00 p.u.，但由于回路存在能量损耗，振荡逐渐衰减，线路电压实际要低于2.00 p.u.”相一致，同时通过仿真可提供直观的感性认识，有助于学生正确理解过电压产生的机理。

4 限制空载线路合闸过电压的措施

限制空载线路合闸过电压的主要措施有：1） 断路器并联合闸电阻；2） 线路两端装设避雷器；3） 采用同期合闸。本文仅就前两种措施进行仿真。

4.1 断路器并联合闸电阻

带有并联合闸电阻的断路器接线图如图4所示。合闸操作时，先将辅助触头QF2闭合，接入的电阻R对回路中的振荡过程起阻尼作用，因而可以降低过电压的幅值。经过十几毫秒后再将主触头QF1合上，此时R被短接，失去作用；再经几十毫秒，断开QF2，将R退出，完成合闸操作。整个合闸过程可分为两个阶段：第一阶段，接入合闸电阻；第二阶段，短接合闸电阻。第一阶段中由于R对振荡起阻尼作用，要求R值越大越好。第二阶段，合闸电阻越大，振荡过程越激烈，过电压值也就越高，要求R值越小越好。所以一般情况下，合闸电阻取值范围在400～1 000 Ω之间。

仿真合闸电阻取400 Ω，QF1和QF2通过时控开关实现，QF2在30.0 ms时合闸，12.0 ms后QF1合闸。采用合闸电阻时的空载合闸三相电压变化曲线如图5所示。

由图5可知：A，B，C三相的空载合闸过电压分别为517 kV（1.27 p.u.），617 kV（1.51 p.u.）和675 kV（1.63 p.u.）。与未加限制措施相比，限制过电压的效果明显。此处学生可以通过改变合闸电阻阻值或设置多级合闸电阻，体会过电压幅值的变化，以更好地理解合闸电阻的作用。

4.2 采用避雷器限制过电压

对于500 kV超高压输电线路，为了限制全线过电压，需要在线路两端接入避雷器。仿真采用的避雷器参数设定参照额定电压为420 kV的ZnO避雷器，起始动作电压为475 kV。采用避雷器限制空载合闸过电压时的三相电压变化曲线如图6所示。

由于避雷器可以吸收过电压的能量，在线路两端设置避雷器后，A，B，C三相产生的合闸过电压分别降为654 kV（1.60 p.u.），697 kV（1.70 p.u.）和659 kV（1.61 p.u.）。与之前无限压措施相比，三相电压分别下降了15.5%，12.0%和10.8%。在教学中，可以让学生改变避雷器的位置，或者仅采用一台避雷器限制过电压，观察限压效果并分析原因。这样可以充分调动学生学习的主动性，培养其分析问题的能力。

5 结论

在电力系统过电压相关内容的教学中，可将数字化仿真作为教学辅助手段，既弥补了试验装置的不足，又使枯燥的理论教学变得生动形象、引人入胜，有助于提高教学效果。同时，数字化仿真可以用于科研项目的研究与开发，培养学生的创新能力和独立思考、解决问题的能力；也可以用于毕业设计，让学生充分理解数字仿真方法，为今后从事相关工作奠定基础。

摘要：应用仿真软件建立模型可作为课堂辅助教学手段，有助于提高教学效果。以合空载线路为例，采用ATP-EMTP仿真软件建立线路过电压模型，分别采用合闸电阻、避雷器限制过电压，探讨将数字仿真软件应用于教学实践的教学方法。

关键词：教学方法；ATP-EMTP仿真软件；空载线路合闸；应用

中图分类号：TM864 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）03-0039-03

电力系统过电压是高电压技术课程的重要组成部分。在电力系统过电压相关内容的教学中，将应用ATP-EMTP仿真软件模拟过电压产生的暂态过程，作为课堂辅助教学手段，可以提高课堂教学效率，促进学生掌握基础理论。本文探讨在教学实践中利用数字仿真软件建立模型的教学方法，以某500 kV架空输电线路为例，模拟空载线路合闸过电压的产生，并分别采用合闸电阻、避雷器限制过电压。

1 ATP-EMTP数字仿真软件简介

ATP（The Alternative Transients Program）软件用于电磁暂态分析，是电磁暂态分析程序EMTP应用得最为广泛的一个免费版本，它包含有多个集中元件、分布参数、线性与非线性元件、依赖于频率变化的线路、各类型开关、电力电子元件、变压器及电机、多种类型电源等近70个原件模型，可以模拟、分析对称或非对称干扰（如接地、雷击）和任何形式的开关操作，几乎可以对任何复杂电力网络进行稳态和暂态仿真分析。

2 500 kV合空载线路仿真模型的建立

教材中对空载线路合闸过电压的产生机理进行了详细叙述，但并未列出系统状态改变产生过电压后电压随时间变化的曲线，所以选用这部分内容进行仿真。仿真对象为某一电压等级为500 kV、长度为 384 km的架空输电线路。电源采用500 kV三相交流电，相电压幅值为U=500/3（kV）=408.2（kV），频率为50 Hz，电源电抗为210 Ω。输电线路模型采用基于频率的J.Marti模型，全线分成4段均匀换相。空载合闸过电压原理图及仿真模型分别如图1和图2所示，模型中接入3个电压探针，分别读取电源端、线路首端及末端的电压值。

J.Marti输电线路采用LCC模块，设线路杆塔为同塔双回路架线的直线塔。模块中输电线路及架空地线的参数设置分别按LGJ-500/65和JBL4-95选取：导线的内、外径分别为1.72 cm和15.48 cm，直流电阻为0.057 6 Ω/m；架空地线的内、外径分别为1.50 cm和6.24 cm，直流电阻为0.457 5 Ω/m。导线采用四分裂，分裂距离45 cm，大地电导率取100 Ω/m。

3 空载线路合闸仿真

空载线路的合闸仿真通过关合断路器来实现，断路器的关合采用三相时控开关控制，设A，B，C三相完全同期合闸，合闸时间为33.1 ms，仿真步长为0.000 01，仿真时间为0.20 s。由于容性效应，长空载线路最高电压出现在线路末端。空载线路合闸后，过电压波到达开路的线路末端后会发生正全反射，造成末端电压进一步升高，线路末端的电压为仿真时的最大电压。这可以帮助学生理解为什么选择线路末端读取过电压结果。线路末端三相过电压仿真结果如图3所示。

由图3的仿真曲线可知：在合闸后瞬间，A，B，C三相最高电压分别达到774 kV（1.90 p.u.），792 kV（1.95 p.u.）和739 kV（1.81 p.u.）；B相出现的最高过电压与理论过电压值2.00 p.u.接近。以上结论与教材理论分析中所述的“非重合闸线路合闸时最大过电压为2.00 p.u.，但由于回路存在能量损耗，振荡逐渐衰减，线路电压实际要低于2.00 p.u.”相一致，同时通过仿真可提供直观的感性认识，有助于学生正确理解过电压产生的机理。

4 限制空载线路合闸过电压的措施

限制空载线路合闸过电压的主要措施有：1） 断路器并联合闸电阻；2） 线路两端装设避雷器；3） 采用同期合闸。本文仅就前两种措施进行仿真。

4.1 断路器并联合闸电阻

带有并联合闸电阻的断路器接线图如图4所示。合闸操作时，先将辅助触头QF2闭合，接入的电阻R对回路中的振荡过程起阻尼作用，因而可以降低过电压的幅值。经过十几毫秒后再将主触头QF1合上，此时R被短接，失去作用；再经几十毫秒，断开QF2，将R退出，完成合闸操作。整个合闸过程可分为两个阶段：第一阶段，接入合闸电阻；第二阶段，短接合闸电阻。第一阶段中由于R对振荡起阻尼作用，要求R值越大越好。第二阶段，合闸电阻越大，振荡过程越激烈，过电压值也就越高，要求R值越小越好。所以一般情况下，合闸电阻取值范围在400～1 000 Ω之间。

仿真合闸电阻取400 Ω，QF1和QF2通过时控开关实现，QF2在30.0 ms时合闸，12.0 ms后QF1合闸。采用合闸电阻时的空载合闸三相电压变化曲线如图5所示。

由图5可知：A，B，C三相的空载合闸过电压分别为517 kV（1.27 p.u.），617 kV（1.51 p.u.）和675 kV（1.63 p.u.）。与未加限制措施相比，限制过电压的效果明显。此处学生可以通过改变合闸电阻阻值或设置多级合闸电阻，体会过电压幅值的变化，以更好地理解合闸电阻的作用。

4.2 采用避雷器限制过电压

对于500 kV超高压输电线路，为了限制全线过电压，需要在线路两端接入避雷器。仿真采用的避雷器参数设定参照额定电压为420 kV的ZnO避雷器，起始动作电压为475 kV。采用避雷器限制空载合闸过电压时的三相电压变化曲线如图6所示。

由于避雷器可以吸收过电压的能量，在线路两端设置避雷器后，A，B，C三相产生的合闸过电压分别降为654 kV（1.60 p.u.），697 kV（1.70 p.u.）和659 kV（1.61 p.u.）。与之前无限压措施相比，三相电压分别下降了15.5%，12.0%和10.8%。在教学中，可以让学生改变避雷器的位置，或者仅采用一台避雷器限制过电压，观察限压效果并分析原因。这样可以充分调动学生学习的主动性，培养其分析问题的能力。

5 结论

在电力系统过电压相关内容的教学中，可将数字化仿真作为教学辅助手段，既弥补了试验装置的不足，又使枯燥的理论教学变得生动形象、引人入胜，有助于提高教学效果。同时，数字化仿真可以用于科研项目的研究与开发，培养学生的创新能力和独立思考、解决问题的能力；也可以用于毕业设计，让学生充分理解数字仿真方法，为今后从事相关工作奠定基础。

摘要：应用仿真软件建立模型可作为课堂辅助教学手段，有助于提高教学效果。以合空载线路为例，采用ATP-EMTP仿真软件建立线路过电压模型，分别采用合闸电阻、避雷器限制过电压，探讨将数字仿真软件应用于教学实践的教学方法。

关键词：教学方法；ATP-EMTP仿真软件；空载线路合闸；应用

中图分类号：TM864 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）03-0039-03

电力系统过电压是高电压技术课程的重要组成部分。在电力系统过电压相关内容的教学中，将应用ATP-EMTP仿真软件模拟过电压产生的暂态过程，作为课堂辅助教学手段，可以提高课堂教学效率，促进学生掌握基础理论。本文探讨在教学实践中利用数字仿真软件建立模型的教学方法，以某500 kV架空输电线路为例，模拟空载线路合闸过电压的产生，并分别采用合闸电阻、避雷器限制过电压。

1 ATP-EMTP数字仿真软件简介

ATP（The Alternative Transients Program）软件用于电磁暂态分析，是电磁暂态分析程序EMTP应用得最为广泛的一个免费版本，它包含有多个集中元件、分布参数、线性与非线性元件、依赖于频率变化的线路、各类型开关、电力电子元件、变压器及电机、多种类型电源等近70个原件模型，可以模拟、分析对称或非对称干扰（如接地、雷击）和任何形式的开关操作，几乎可以对任何复杂电力网络进行稳态和暂态仿真分析。

2 500 kV合空载线路仿真模型的建立

教材中对空载线路合闸过电压的产生机理进行了详细叙述，但并未列出系统状态改变产生过电压后电压随时间变化的曲线，所以选用这部分内容进行仿真。仿真对象为某一电压等级为500 kV、长度为 384 km的架空输电线路。电源采用500 kV三相交流电，相电压幅值为U=500/3（kV）=408.2（kV），频率为50 Hz，电源电抗为210 Ω。输电线路模型采用基于频率的J.Marti模型，全线分成4段均匀换相。空载合闸过电压原理图及仿真模型分别如图1和图2所示，模型中接入3个电压探针，分别读取电源端、线路首端及末端的电压值。

J.Marti输电线路采用LCC模块，设线路杆塔为同塔双回路架线的直线塔。模块中输电线路及架空地线的参数设置分别按LGJ-500/65和JBL4-95选取：导线的内、外径分别为1.72 cm和15.48 cm，直流电阻为0.057 6 Ω/m；架空地线的内、外径分别为1.50 cm和6.24 cm，直流电阻为0.457 5 Ω/m。导线采用四分裂，分裂距离45 cm，大地电导率取100 Ω/m。

3 空载线路合闸仿真

空载线路的合闸仿真通过关合断路器来实现，断路器的关合采用三相时控开关控制，设A，B，C三相完全同期合闸，合闸时间为33.1 ms，仿真步长为0.000 01，仿真时间为0.20 s。由于容性效应，长空载线路最高电压出现在线路末端。空载线路合闸后，过电压波到达开路的线路末端后会发生正全反射，造成末端电压进一步升高，线路末端的电压为仿真时的最大电压。这可以帮助学生理解为什么选择线路末端读取过电压结果。线路末端三相过电压仿真结果如图3所示。

由图3的仿真曲线可知：在合闸后瞬间，A，B，C三相最高电压分别达到774 kV（1.90 p.u.），792 kV（1.95 p.u.）和739 kV（1.81 p.u.）；B相出现的最高过电压与理论过电压值2.00 p.u.接近。以上结论与教材理论分析中所述的“非重合闸线路合闸时最大过电压为2.00 p.u.，但由于回路存在能量损耗，振荡逐渐衰减，线路电压实际要低于2.00 p.u.”相一致，同时通过仿真可提供直观的感性认识，有助于学生正确理解过电压产生的机理。

4 限制空载线路合闸过电压的措施

限制空载线路合闸过电压的主要措施有：1） 断路器并联合闸电阻；2） 线路两端装设避雷器；3） 采用同期合闸。本文仅就前两种措施进行仿真。

4.1 断路器并联合闸电阻

带有并联合闸电阻的断路器接线图如图4所示。合闸操作时，先将辅助触头QF2闭合，接入的电阻R对回路中的振荡过程起阻尼作用，因而可以降低过电压的幅值。经过十几毫秒后再将主触头QF1合上，此时R被短接，失去作用；再经几十毫秒，断开QF2，将R退出，完成合闸操作。整个合闸过程可分为两个阶段：第一阶段，接入合闸电阻；第二阶段，短接合闸电阻。第一阶段中由于R对振荡起阻尼作用，要求R值越大越好。第二阶段，合闸电阻越大，振荡过程越激烈，过电压值也就越高，要求R值越小越好。所以一般情况下，合闸电阻取值范围在400～1 000 Ω之间。

仿真合闸电阻取400 Ω，QF1和QF2通过时控开关实现，QF2在30.0 ms时合闸，12.0 ms后QF1合闸。采用合闸电阻时的空载合闸三相电压变化曲线如图5所示。

由图5可知：A，B，C三相的空载合闸过电压分别为517 kV（1.27 p.u.），617 kV（1.51 p.u.）和675 kV（1.63 p.u.）。与未加限制措施相比，限制过电压的效果明显。此处学生可以通过改变合闸电阻阻值或设置多级合闸电阻，体会过电压幅值的变化，以更好地理解合闸电阻的作用。

4.2 采用避雷器限制过电压

对于500 kV超高压输电线路，为了限制全线过电压，需要在线路两端接入避雷器。仿真采用的避雷器参数设定参照额定电压为420 kV的ZnO避雷器，起始动作电压为475 kV。采用避雷器限制空载合闸过电压时的三相电压变化曲线如图6所示。

由于避雷器可以吸收过电压的能量，在线路两端设置避雷器后，A，B，C三相产生的合闸过电压分别降为654 kV（1.60 p.u.），697 kV（1.70 p.u.）和659 kV（1.61 p.u.）。与之前无限压措施相比，三相电压分别下降了15.5%，12.0%和10.8%。在教学中，可以让学生改变避雷器的位置，或者仅采用一台避雷器限制过电压，观察限压效果并分析原因。这样可以充分调动学生学习的主动性，培养其分析问题的能力。

5 结论

在电力系统过电压相关内容的教学中，可将数字化仿真作为教学辅助手段，既弥补了试验装置的不足，又使枯燥的理论教学变得生动形象、引人入胜，有助于提高教学效果。同时，数字化仿真可以用于科研项目的研究与开发，培养学生的创新能力和独立思考、解决问题的能力；也可以用于毕业设计，让学生充分理解数字仿真方法，为今后从事相关工作奠定基础。