身份证号码：4111221989****XXXX
摘要：电力系统中，经常会出现一些故障，比如说：单相、多相短路或断线。在系统中，变电站承担着传输电压、电流以及对其进行变换和分配的作用，一旦变电站中发生相关的故障事故，就将对其余部分产生巨大的影响，所以变电站在系统中具有非常重要的作用。
关键词：110KV变电站；ATP-EMTP仿真；雷电过电压；单相短路接地；线路空载过电压
当发生故障时，线路上的电压和电流都是在一个极其短暂的时间内发生剧烈的变化，如果用传统的方法进行相关的计算、分析，那将是非常繁琐和困难的，基于上述的问题，目前，对电力系统进行仿真就显得异常重要。电力系统仿真软件就是在此基础上开发出来的，可以对系统的暂态进行实时的分析，得到对应的电压和电流的变化情况。
在众多的仿真软件中，选择性电磁暂态程序（ATP-EMTP）就是这样的一种软件，它具有模拟复杂电力系统的功能，并且提供强大的元件模型库。电磁暂态与电力电子仿真研究开发的大型软件包，可模拟多相电力系统的电磁、机电和控制系统的暂态特性。主要用于电力系统电磁暂态分析、超/特高压输电系统过电压和绝缘配合、各种电力电子装置－包括高压直流输电系统应用研究。
本文将利用ATP-EMTP对变电站相关的故障进行研究，文中首先建立110kV变电站标准仿真模型，讨论并设置了标准电路模型的计算参数，然后基于ATP-EMTP仿真软件对变电站的雷电过电压、负荷侧单相短路接地、线路空载过电压进行相关的研究，通过仿真图形得到相关结论。
1 引言
1.1 论文研究背景
目前，由于社会对能源需求越来越迫切，从而导致了我们周围的电力系统也在不断的发展和完善，从规模上讲也在不断庞大起来，电力系统的运行也变得越发复杂。过电压、过电流是电力系统中的常见事故，当前发生的事故多数已经不能用传统的分析方法进行预测。电力系统继电保护就是要通过电力系统的电气量分辨出电力系统是处于正常运行状态、不正常运行状态还是故障状态，从而做出正确与精密的判断。
继电保护动作正确与否，就要对电磁暂态进行认真分析，电磁暂态过程变化很快，需要分析和计算持续时间在毫秒级以内的电压、电流瞬时值的变化情况；需要考虑元件的电磁耦合、以及输电线路分布参数所引起的波过程，有的甚至要考虑线路三相结构的不对称、线路参数的频率特性[1]。
电力系统仿真就是通过在数字计算机上建立适当的数学模型来模拟电力系统物理过程的一种研究方法，由于实际电力网络拓扑结构变得越来复杂，所以电力系统仿真软件已成为电力系统工作者进行电力系统规划、保护、调度及故障研究的重要工具。
数字仿真因具有投资小、功耗低、占场地少，具有较强的灵活性和扩充性，试验重复性好和自动化程度高等优点而被广泛使用。电力系统数字仿真已成为电力系统研究、规划、设计、运行等各个方面不可或缺的工具，特别是电力系统新技术的开发研究、新装置设计、参数确定更是需要仿真来进行确认。EMTP是利用数值计算方法对电力系统中从数微秒至数秒之间的电磁暂态过程进行仿真模拟，具有很强的计算功能和很高的计算精度，可以求解由电阻、电感、电容、单相或多相n形电路、分布参数输电线路等元件组成的网络暂态过程随着计算机技术的不断提高，现阶段所使用的暂态仿真软件有很多种，包括：电磁暂态程序（EMTP）、直流电磁暂态程序（PSCAD/EMTDC）电力系统综合分析程序（PSASP）等[2]，这些仿真软件都有较强大的仿真计算能力，能满足仿真计算的要求。针对电力系统使用的本篇毕业设计选用的就是在电力系统中应用最为广泛的电磁暂态仿真程序ATP-EMTP。
1.2论文的主要工作
1.对仿真软件进行必要的介绍，了解一些常用功能
ATP-EMTP可以在Windows平台下工作，操作十分简便仿真非常准确，适合此次课题研究。为了了解ATP-EMTP的具体使用方法，首先对该软件做一个简单的介绍，算是入门。
2.介绍ATP-EMTP的详细使用方法
在对ATP-EMTP有了一个简单的了解之后，介绍如何采用软件进行相关的设计，包括电路图、相关模型的搭建、软件参数的设置，具体的一些操作方法。
3.变电站模型的建立和参数计算
要建立的变电站模型应包括了整个变电站系统（35kV、110kV、10kV三个电压等级），其中必要的模块决定选择分布参数模型，并按照变电站一次接线图将变电站的所有进线、出线均绘制到模型中，这样从模型建立方式上保证了仿真结果的准确性。仿真模型是建立在整个变电站网架的基础上，所需的元件模块众多，包括：电源模块、线路模块、母线模块、变压器模块、电压互感器模块、避雷器模块等。对于变电站模型仿真结果的准确度在一定程度上取决于各个模块参数的准确计算及录入，在初期我们已经列出了需要收集的变电站各个电气设备的各项参数，在准确取得参数的前提下，通过计算将所需的值录入到模块中。其中主要需要计算参数的模块是：变压器模块、线路模块，电压互感器模块。
4.对变电站进行雷电过电流的研究
将相关的变电站模型搭建好之后，就可以对其进行雷电过电流的研究，选择一个雷电过电流模型，运行软件得到对应时刻的电流、电压变化情况，得出仿真图形。
5.对变电站进行短路电流的研究
利用搭建好的变电站的相关模型，得到当负荷侧发生单相短路时三相电压电流的变化情况，得到相关仿真图形。
6.对变电站进行过电压的研究
在变电站中，还会出现一类空载线路过电压的现象，利用已知模型仿真线路空载过电压的电压波形，得到相关仿真图形。最后，对此次设计进行总结，得到一些相关结论。
2 ATP-EMTP软件介绍
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2.1 ATP-EMTP软件简介[3]
EMTP是加拿大H.W.Dommel 教授首创的电磁暂态分析软件。它具有分析功能多、元件模型全和运算结果精确的优点。我国也于1981年引进了EMTP程序。多年来，经过许多人的共同工作，EMTP的模型和功能不断更新、改进和完善、新的模型不断被引入，如涡轮发电机转子系统模型；变压器励磁特性的修正模型等。该程序还包括了发电机、轴系和控制系统动态过程的模拟，使之能更进行更
深层次的分析。程序具有很强的计算功能和良好的计算精度，计算结果经受了实测的考验。
ATP（the Alternative Transients Program）是EMTP 的免费独立版本，是目前世界上电磁暂态分析程序最广泛应用的一个版本，它可以模拟复杂网络和任意结构的控制系统，具有更灵活、功能更强的通用描述语言MODELS及图形输入程序ATPDraw。
2.2 电磁暂态程序（EMTP）的发展
目前，普遍采用的电磁暂态仿真程序是用数值计算方法对电力系统中从数微秒至数秒之间的电磁暂态过程进行仿真模拟，主要用于计算电力系统中的电磁暂态过程。
ATPDraw程序的第一个版本是1991年在挪威科技研究所开发出来的，当时只是一个简单的制图预处理程序，仅用于教学。1991和1992年在比利时Leuven召开的欧洲EMTP用户协会秋季会议上，展示了两个ATPDraw程序的演示版。
美国的Bonneville动力公司联系到该程序的开发者，旨在资助该程序的进一步发展。项目的第一阶段于1994年5月完成，用户通过因特网就可以下载ATPDraw程序及其使用手册。项目的第二阶段于1995年12月完成，这一阶段克服了前一版本中的一些重大缺陷。
第二版本的ATPDraw程序与DOS环境完全兼容，可以可靠的在Windows DOS环境以及联网PC上运行。另外，由于不需要频繁的与磁盘交换数据，程序的运行速度得到了提高。由于BPA的不断资助，该程序得以持续发展。
现在，全新版本用Borland Delphi编写，可用于流行的Windows操作系统：一种是在Windows 95/NT环境下运行的32位版本；另一种是在Windows 3.x环境下运行的16位版本。这本用户手册是为最近发布的ATPDraw V 1 for Windows的用户准备的。
我国于1980年初从美国BPA公司引进了EMTP程序，1988年又通过电力部引进了微机版电磁暂态计算程序ATP。中国电力科学研究院对该程序进行了调试、修改以及功能二次开发，并且在全国范围内推广使用，完善了中文使用说明及相关技术资料，编制了人机会话式数据输入程序及ATP工作环境软件包，提供了与用户友好的人机界面[4]。
2.2.1 EMTP的结构和功能特点
EMTP由电磁暂态计算程序、辅助支持子程序及绘图功能子程序组成。主要包括磁饱和曲线转换子程序（CONVERT），变压器阻抗矩阵子程序（XFORMER），磁滞回线子程序（HYSDAT），参数计算子程序（LINE CONSTANT），与频率相关的计算机子程序（JMARTT SETUP）等。该软件典型应用为计算电力系统在某个扰动（如开关投切或故障）之后感兴趣的变量随时间变化的规律。
EMTP程序主要功能有：计算网络的稳态解，也可把此稳态解再作为暂态计算的初始条件。计算网络中交直流电源频率从fmin到fmax以步长
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f变化时各个频率下的问题。
ATP（选择性暂态程序）是世界上应用最广的数字式仿真电磁暂态现象及电力系统机电能的软件。过去二十年来，它通过国际贡献得以不断发展，这些来自全世界的技术贡献是由W·斯哥特·迈耶和刘苏辉（音译）共同主持的美加EMPT用户协会协调的。
ATP程序可以计算以时间为函数的变量对电力系统的影响。通常，使用积分的梯形规则来解系统元件在时域的微分方程。非零初始状态可自动由稳态矢量解决定，或由用户自行为某些元件输入。
ATP提供许多模型，包括旋转电机，变压器，避雷器，电力电线/电缆。ATP程序可以模拟任意结构的复杂电力网络，也可分析控制系统，电力电子设备和一些非线性的元件。ATP程序可以模拟、分析对称或非对称干扰，例如接地、雷击，和任何形式的开关操作（包括阀的换流）。还支持相量网络的频率响应计算[5]。
ATPDraw具有标准的Windows窗口布局。ATPDraw支持许多常用的编辑操作，例如：复制/粘帖，旋转，导入/导出，组合/拆分，以及打印文件成文本格式或图元/位图格式。ATPDraw支持多窗口同时操作，以及窗口之间相互复制信息。在ATPDraw中搭建电路，用户首先从菜单中选择元件搭建模型电路。然后程序会自动给未定义的节点命名及修正模型，并生成相应的ATP文件。用户搭建的电路可以是单相的，也可以是三相的。
目前，ATP支持近70种标准元件和28种TACS对象，以及一些简单的MODEL对象。用户还可以利用ATP中“数据化模块”功能自定义所需的电路对象。
2.2.2 ATPDraw支持的元件
ATPDraw程序支持许多ATP常用的元件。以下列出的元件，除非特殊说明，均指单相。
标准元件
线性分支：
电阻器，电抗器，电容器，RLC电路
对称或不对称的三相RLC电路
初始化的电抗器和电容器
非线性分支：
电流控制的电阻器，99型
电流控制的电抗器，98型及93型
时控电阻器，，97型
电流控制的指数性型电阻器，92型（单相及三相）。包括ARRDAT装置TACS 控制的电阻器。
电线模型：
单相，双相及三相RLC电路的
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形等值电路
双相，三相及六相RL耦合电路
三相及六相，顺序输入的对称RL电路。
单相，双相，三相，六相及九相，克拉克分布参数电路
开关：
单相及三相时控开关
电压控制开关
二极管，11型
晶闸管，11 型
TACS 控制开关，13 型
测量器件
双精度型TACS 控制开关，12型
服从统计函数分布，独立的开关
服从系统函数分布，独立的开关
电源：
直流电源，11型
单面斜坡电源，12 型
双面斜坡电源，13型
单相及三相交流电源，14型
双指数型电源，15型
Heidler电源，15 型
TACS控制电源，60型
不接地的直流电源，类型 11+18
不接地的交流电源，类型 14+18
电机：
同步电机（最多可有8个TACS控制变量），类型 59。
通用电机，手动及自动初始化。
感应电机，类型3。
直流电机，类型8。
同步电机，类型1。
变压器：
单相理想变压器，类型18电源
单相饱和变压器
三相饱和变压器，耦合方式：D/D，Y/Y，D/Y，Y/D，Y/Y/D，包括RMS值的饱和度计算三相三绕组变压器，Y/Y绕组。预处理标准测量数据
用户定义对象：
用户可以在 ATPDraw程序中创建新对象。这些对象通过数据库模块化程序写入ATP文件，例如：
-六相可控晶闸管换流桥
-三相J-Marti架空线
- BCTRAN变压器模型
-磁滞电抗器
架空线（PCH）对象：
ATPDraw程序可以自动识别冲积格式的电线/电缆常数文件
- 1-9 相分散式的常量参数传输线路模型
- 1-9 相
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形等值线路模型
- 1-9 频域JMarti线路模型
MODELS：
在 ATPDraw中用户可以自建模型，并保存到ATP中去。
3 利用EMTP软件进行电路的仿真研究
3.1.1 EMTP的简单使用方法
1.ATP中的基本元件
目前，ATP包括以下元件[6]：
1.非耦合/耦合的线性，集中参数元件
2.分布参数和频域参数的电力电线/电缆
3.非线性元件：有饱和和磁滞特性的变压器，避雷器
4.普通开关，时间控制开关，电压控制开关，统计分布开关
5.阀（二极管和晶闸管）
6.三相同步电机，通用电机
7.MODELS和TACS（控制系统的暂态分析）
2.ATP窗口操作[7]
ATP使用标准的Windows用户界面。下面节分别介绍“主菜单”和“元件选择菜单”的基本功能，以及两个重要的窗口：“主窗口”和“元件对话框”。
一、主窗口
ATPDraw for Windows程序与DOS版本功能相似，“元件选择菜单”是隐藏的，在“电路窗口”空白处单击鼠标右键弹出该菜单。图中主窗口内有两个电路窗口。
ATPDraw支持多窗口，允许用户同时操作数个电路窗口，并提供在电路窗口之间复制信息的工具。电路窗口比实际屏幕大很多，可以使用滚动条来显示每个电路窗口。
“主窗口”由以下部分组成：标题+边框、系统菜单、标题文字、windows标
准按钮、主菜单、文件、ATP、工具等。
“电路窗口”：
在该窗口中搭建电路。电路窗口包含各种电路对象，通过“文件”菜单可以从磁盘加载电路元件，或者新建窗口搭建新电路。电路对象包括标准ATP元件，用户自定义元件，MODELS和TACS元件，连接线和关系线。滑动窗口滚动条或在“地图窗口”中移动矩形视口，可在电路中移动。
“元件选择菜单”：
该菜单最初是隐藏的，在“电路窗口”空白处单击鼠标右键可弹出该菜单。该菜单提供所有电路元件。选定了元件，元件被矩形框包围着出现在电路窗口中，当前处于可移动状态。
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二、元件对话框
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从“元件选择菜单”中选择元件之后，在电路窗口中将出现一个由矩形框包围的电路元件。其上按住鼠标左键并拖动可移动元件图标，单击鼠标右键可旋转，单击空白区域可退出选择和放置对象。在未选择的电路对象上单击鼠标右键（或双击左键），将弹出“元件对话框”。例如单击一个RLC元件的图标，将会弹出如图所示的对话框。
全部电路元件的“元件对话框”布局大致相同。用户在该窗口中输入元件所需的数据。对于标准元件，输入窗口的唯一不同就是数据和节点菜单区的数目。非线性分支元件除了一般“属性页”，还有“特性页”。在特性页中，可以对非线性特性和一些包含文件选项进行设定。Tab键或鼠标可以用于在输入区域间移动指针，箭头键用于在菜单区域内移动指针。当指针被移出到区域的右侧，菜单内容将呈滚动文本形式。
输入窗口中输入的数值可以是实数或整数，实数可写成带有“E”或“e”的指数形式。当输入字符是非数值时，将显示“非法数值定义”的信息。合法数值样式：3.24e4，323E+02，32300，32.3e+3等。
3.2创建仿真模型电路步骤
打开ATPDraw程序后，用户便可以根据自己的需要按下列步骤创建完整的仿真模型电路：
第一步，点击File下的new项，以建成一个新的电路窗口文件。
第二步，在新建的空白页中单击鼠标右键，就会出现一个元件选择菜单，点击所需元件，其模型的图标就会出现在新建的电路窗口文件中。
第三步，给元件赋值。双击选出的元件图标，即可弹出添加参数的对话框，参数修改完后点击OK键即可保存赋值。
最后一步，完成电路图后。点击ATP / Setting项可弹出对话框，选择Simulation菜单项可改变默认值。然后，点击ATP/ run项即可生成EMTP仿真所需的输人数据文件。然后，在PCPLOT中打开：*．P14类型的文件。将会弹出一个选择节点的对话框，在测量类型（电压、电流、功率等）下选择节点名称以及坐标轴。点击OK键便可显示该节点处被测量的仿真图形。
4 变电所简要介绍及相关参数计算
4.1.1 变电所的简介
变电所（substation）就是电力系统中对电能的电压和电流进行变换、集中和分配的场所。为保证电能的质量以及设备的安全，在变电站中还需进行电压调整、潮流控制以及输配电线路和主要电工设备的保护。
4.1.2 变电站分类[8]
电力变电所又分为输电变电所、配电变电所和变频所。这些变电所安电压等级可分为中压变电所（60Kv及以下）、高压变电所（110-220Kv）、超高压变电所（330-765Kv）和特高压变电所（1000Kv及以上）。按其在电力系统中的地位可分为枢纽变电所、中间变电所和终端变电所。
4.2变电所的组成[9]
变电所由主接线，主变压器，高低压配电装置，继电保护和控制系统、所用电和直流系统，远动和通信系统，必要的无功功率补偿装置和主控制室等组成。其中，主接线、主变压器、高低压配电装置等属于一次系统；继电保护和控制系统、直流系统、远动和通信系统等属于二次系统。
4.3变电所的主接线
主接线是变电所的最重要组成部分。它决定变电所的功能、建设投资、运行质量、维护条件和供电可靠性。一般分为单母线、双母线、一个半断路器接线和环形接线等几种基本形式。主变压器是变电所最重要的设备，它的性能与配置直接影响到变电所的先进性、经济性和可靠性。
一般变电所需装2-3台主变压器；330千伏及以下时，主变压器通常采用三相变压器，其容量按投入5-10年的预期负荷选择。此外，对变电所其他设备选择和所址选择以及总体布置也都有具体要求。
4.4 变电所应采取的防雷措施
①采用避雷针或避雷线对变压器做防直击雷保护；
②采用阀型避雷器对变压器做防雷电侵入波保护；
③利用变压器工作接地兼作避雷针和避雷器的防雷线；
④将配电室进、出线处架空线绝缘子与变电所工作接地体相连做防雷电侵入波保护
4.5 变电所已知的原始资料
下面，以110kv变电站为例，介绍用ATPDraw研究变电站的雷电过电压保护的方法。
该变电所相关参数：
主变容量为2x31.5MVA；型号为SFSLZ__31500KVA/110kV三相三绕组变压器；
短路电压：U1-2=17.79%；U2-3=10.12%；U3-1=6.64%；
短路损耗：PK1-2=130.8kW ；PK2-3=165.2kW；PK1-3=176kW；
110kV母线三相短路容量：1918MVA；
供电电压等级：可由用户选用35kV或10kV电压供电；
导线型号：4×LGJQ一300，四分裂，分裂距离450mm，计算直径（子导线）11．25mm，，20oC时直流电阻为0.114Ω/km
避雷线型号：LGJ一 95/95，计算直径为8mm，20oC时直流电阻为0.304Ω/km
4.6 变电站相关参数的计算
（1）绕组电阻的计算
根据变压器的类型各绕组短路损耗和PK1-2、PK2-3、PK1-3三者之间由如下关系：
PK1 =1/2（PK1-2+ PK1-3－PK2-3）= 1/2（130.8+176—165.2）=70.8kW
PK2 =1/2（PK1-2+ PK2-3—PK1-3）= 1/2（176+165.2—130.8）=105.2kW
PK3 =1/2（PK1-3+ PK2-3—PK1-2）=1/2（130.8+165.2—176）=60 kW
然后按照双绕组变压器绕组计算公式计算各绕组电阻（计算结果为以转换到一次
侧数据）：
RT1=
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=0.863Ω
RT2=
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=1.283Ω
RT3=
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=0.74Ω
（2）绕组漏电抗的计算
根据已知的短路电压百分比计算：
UK1%=1/2（UK1-3%+ UK1-2%－UK2-3%）=7.155%
UK2%=1/2（UK2-3%+ UK1-2%－UK1-3%）=10.635%
UK3%=1/2（UK2-3%+ UK1-3%－UK1-2%）=-0.515 故近似取零
XT1=
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=
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=27.5Ω XT2=
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=
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=27.5Ω
XT3=
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=
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=0Ω
（3）变压器励磁电阻计算
励磁电导GT=
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=
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=4.125×10-6S所以有励磁电阻Ro=2.4×105Ω
5 变电站模型的建立及过电压的相关研究
5.1变电站雷电过电压相关情况及背景
电力系统常因一些异常情形而产生过电压现象，这些异常状况常见的包括雷击、电弧接地、短路故障等。
电力系统中电容、电感均为储能元件，当操作或故障使其工作状态发生变化时，将有过渡过程产生。在过渡过程中，由于电源继续供给能量，且储存在电感中的磁能会在某瞬间转变为以静电场能量的形式储存于系统的电容之中，可产生数倍于电源电压的操作过电压。虽然操作过电压作用过程十分短暂，是在几毫秒或几十毫秒之后要消失的暂态过电压，但在严重时可能会导致操作失败、甚至设备绝缘被击穿。
随着电网电压等级的提高，操作过电压的幅值也随之增大，加上避雷器性能的不断改善，大气过电压的保护不断完善，在超高压电网中，操作过电压对某些设备绝缘选择将起着决定性的作用．也是决定电力系统绝缘水平的依据之一。操作过电压的理论计算和仿真对于电力设备的合理设计、实际系统的安全运行具有一定的实用价值。
在电力系统中，内部过电压是决定设备绝缘与安全运行的主要因素之一，因此研究内部过电压有着重要意义。
5.2变电站模型的建立
总线上的数据为每段的长度（单位：米）。假设，以空盒子形状表示的断路器是断路的，因此该构造中，只有两条传输线路与传统有间隙避雷器保护的变压器相连。模拟的事件是在距离变电站0.6km远的单相后闪络，假定是由一个120 kAmps 4/6μs的直接对传输线的雷击引起的。后见完整电网（变电站＋进线）的ATPDraw电路。
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5.2.1 建模过程应注意的问题
建立模型过程中考虑如下因素：
1）电磁暂态过程变化很快，一般需要分析和计算持续时间在ms级以内的电流、电压瞬间值变化情况，因此需要考虑元件的电磁耦合，计及输电线路分布参数所引起的波过程等因素影响。不同过电压计算方法，主要反映在对分布参数输电线路的处理方法，这里分析的是EMTP中采用的基本数学模型和计算方法。
2）在断路器合闸时，三相之间存在一定程度的不同期，线路合闸时断路器动作时间上的分散性使操作过电压比同期合闸过电压要高出很多。在电磁暂态程序的断路器模型中将开关的闭合和断开过程理想化，采用时控开关或压控开关模型。
3）暂态过程十分短暂，仿真时间步长极小，一般为1—100μS。仿真步长过长，波形会出现失真。
5.2.2 雷电流的建模
防雷保护规程中规定的标准雷电冲击波有双指数函数波形，斜角波形与半余弦波形。这里的仿真计算采用双指数函数波形其表达式为：
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[10]
其中Im————————雷电流幅值（kA）；
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----------------时间常数。
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模拟事故是由雷击变电站600m处的杆塔引起的单相雷闪络。取得的雷击电流波形参数幅值选120kA，波前/波后的时间段为4/6
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5.2.3杆塔的建模
在防雷的计算中，雷电冲击波作用下塔顶呈现的电位与由塔顶注入的冲击电流的比值，即杆塔的冲击响应波阻抗，是非常重要的参数，它直接影响到塔顶电位的计算结果。我国规程推荐的杆塔波阻抗为200Ω，杆塔电感为0．5ΜH/m，相应的波速为250rn/μs。国内外实测的波阻抗和波速一般会小于该值。对于受击杆塔的模型不能仅仅按照简单的集中参数模型，需要采取比较准确的杆塔模型。在此根据杆塔本身的几何形状，使每一段支架及横担均用独立的波阻等效[11]，本仿真中使用的是门架塔模型。
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门架塔模型 耐张塔模型
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悬垂塔模型
其中
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是等效杆塔的波阻，R为杆塔冲击接地电阻。
5.2.4 绝缘子串的闪络模型
ATP程序的子程序TACS可将网络电压源、电流源、节点电压、开关电流、开关状态和一些内部变量作为输入。网络皆以TACS的输如信号作为电压源或电流源（如采事先说明这些电源是受TACS控制的）。也可以作为打开或闭合开荧的命令（如果是可控硅或受TACS控制的开关）。
绝缘子串上的闪络电压与作用其上的电压波形有关，用伏秒特性来表示，因此绝缘子串可用ATP中自制Flash Model模拟
5.2.5避雷器的等效模型[12]
金属氧化物避雷器（MOA）是一种高度非线
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性的电阻，因而可采用非线性电阻来模拟，其非线性特性采用分段线性函数模型来模拟。避雷器电阻的非线性可用指数函数描述。其电压电流的关系满足下式：
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其中，p、q、Uref 是常数，q的典型值为25，p为0.027
一般难以用一个指数函数来描述整个范围内的特性，因此在ATPDraw中将电压范围分成几段．每一段有其自己的指数函数．即采用分段线性函数模型来模拟。
避雷器的U-I特性：
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5.2.6变压器等其他电气设备的等效模型
因雷电渡等值频率较高，维持时间很短．通常10μs左右即可算出最大过电压幅值，故变电站设备如变压器、互感器等，在雷电流作用下均可以等效成冲击入口电容，它们之间有分布参数线段相隔。计算变压器入口电容的经验公式为
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其中，S表示的是变压器的三相容量MVA；n=4（110kv电压等级），K=0.0024（对110KV电压等级）
由已知数据：变压器容量31.5MVA，C=0.0024
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=0.0005
5.2.7 线路模块的等效模型
输入模式窗口：
输入模式中对于通常线路的仿真只需改变#Ph（线路相数）和Length（km），
距离）两个选项，其它都可以取默认值，具体参数介绍如下：
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其中，model参数解释：
Overhead line： 架空线
Single core cables：单心电缆
Enclosing pipe： 多心电缆
Transposed： 换相
Auto bundling：分裂导线
Seg ground： 分段接地
Skin effect：考虑肌肤效应
Real trans matrix： 选中后传输矩阵默认为只有实部，忽略虚部
#Ph： 线路相数（包括避雷线）
Units：Metric公制 English英制
Model Type：是几种架空线的计算模型，通常选择JMarti模型
Rho： 大地电阻率（一般可取20）
Freq.init： 仿真的频率下限
Length（km） Length of overhead line架空线的长度（千米）
Decades和Point／Dec：用于确定步长范围内的点数，常取图中默认值
Frematrix（Hz）：仿真频率上限（Hz）
（2）输入数据窗口
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Data
Ph．no： 相序编号（4为避雷线）
Rin（cm）： 导线内径（厘米） 避雷线为5mm
Rout（cm）： 导线外径（厘米）
NB： 分裂导线根数
VTower： 导线在杆塔处的垂直高度（米）
编辑菜单
Add row： 增加相数
Delete last Row： 删除最后一相（总相数必须保证和Model菜单中#Ph相数一致）
Import： 导入已有计算参数文件
View： 打开新的窗口，查看输入线路的集合位置关系，在新窗口中右键缩小，左键放大
（1）模式窗口数据选择
System type： 选择Overhead line：架空线
Transposed： 未换相，不选择
Auto bundling： 导线不是分裂导线，不选择
Seg ground： 避雷线未分段接地情况，未选
Skin effect： 考虑肌肤效应，选择
Realtrans matrix： 为了尽量模拟实际系统的仿真，不忽略传输矩阵的虚部，不选
#Ph： 线路相数3
Units： Metric公制
Modelrype： 选择考虑计算频率范围较宽的
Rho： 大地电阻率（一般可取20）
Freq init： 仿真的频率下限（Hz）
Length（km）： 架空线的长度（km）
其它参数可取默认值。
5.3 ATPdraw中的相关元件连接图
根据上述元件设置，得到相关的连接图：
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6 变电站相关故障仿真
6.1 变电站雷电过电压仿真
6.1.1 图形仿真曲线
下面分别显示的是母线处装设避雷后，电压互感器PT1各相的电流变化情况：
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未装设避雷器，电压互感器PT1的电压：
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6.1.2 结论
结论：
通过上图数据比较可以知道，雷电波入侵时间是在4μs开始，对应的互感器侧产生冲击电流，之后随着雷电波的消失互感器侧的电流逐渐下降，从横向比较来看，加避雷器后各个设备的最大过电压都有明显下降，从而说明避雷器在雷电流过电压入侵变电站时起到十分重要的作用，保护变电站内电器设备不受损害，提高了电力系统的安全性和可靠性。
6.2变电站空载线路过电压仿真
6.2.1 图形仿真曲线
输电线路发生空载过电压：
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6.2.2 相关结论分析
操作过电压的暂态过程短暂，在4μs的时候发生输电线路上的空载合闸过电压，其中A相发生空载过电压的情况最为严重，并且其暂态过渡过程也非常长，此次合闸过电压为三相合闸，属于合闸中最严重的情况，发生的过电压最大幅值为正常电压的3倍左右。
6.3变电站负荷单相短路仿真
6.3.1图形仿真曲线
负荷发生单相短路：
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6.3.2 相关结论分析
此次短路接地是模拟A相短路接地，从上图的电压波形上可以清楚地看到0~50ms线路是完好的，此时三相电压对称，中性点电压为零。50ms 时线路发生故障，系统进入暂态，此时A相电压迅速降为零；B、C两相电压升高，经过一段暂态后稳定于l0
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kV，即升高为线电压；在110ms时故障切除，系统重新进入稳态，三相电压重新保持对称。由于存在初始输入量和初始状态量，因而三相电压波形下移。
结束语：
通过以上关于变电站雷电过电压、单相短路接地以及线路空载过电压可以看出EMTP仿真软件适用于详细研究大电力系统网络的暂态和动态过程。图形输入程序ATPdraw作为ATP-EMTP的一个前处理程序，最终将生成一个格式正确的ATP-EMTP的输入文件，用户可以根据自己的需要创建所需要的电路模块。通过使用EMTP的强大运算功能和ATPdraw的提前处理，将使得工作量大大减少且设计更为方便、快捷。另外，在正确选择电力系统数学模型和参数的基础上，其电力系统仿真的规模基本不受限制，并且可以比较完整的模拟大规模电力系统。因此，EMTP在电力系统仿真研究中具有十分广泛的应用前景。
参考文献：
[1]张保会，索南加乐. 电力系统继电保护[M] 北京 中国电力出版社
[2]钱鑫，李琥，施围．电力系统仿真计算软件介绍[J]．继电器，2001.
[3]徐政.免费使用的电磁暂态分析程序—ATP-EMTP程序介绍[J].电网技术，1999，23（7）.
[4]韩丽娜，杨志坚，李虎.ATP-EMTP在500kV配电系统中的应用[J].电测与仪表，2005
[5]杨丽勤，杨晓萍，梁振锋，黄 囤，张 聪，魏 盟，王 斌.基于EMTP和MATLAB的继电保护仿真系统[J].电网与清洁能源，2009（11）
[6]常晓颖，代高杰.基于EMTP的电力系统建模与仿真[J].洛阳理工学院学报（自然科学版）2010（20）
[7]ATPDRAW version 3，User Manual，TR A4389，EFI，Norway，1996
[8][9]田友文，唐文秀，梁春英，刘振宇 企业供配电技术[M]中国电力出版社2008
[10]裴浩.基于ATP-EMTP 的输电线路雷电过电压研究及应用[J].电力与能源2010（29）
[11]谢辉春，文习山．500kV GIS变电站雷击进线段塔顶雷电过电压的仿真研究[J]．电气应用2006（3）
[12]500kV 何人望，郭慈东 变电站雷电过电压仿真研究[J].大众科技 2011（147）