2024年4月17日发(作者：)

基于PSCAD的配电网雷电过电压仿真分析

雷电过电压分为两类：直击雷过电压和感应雷过电压。直击雷过电压根据雷电击中

输电线路设备的不同部位主要分为2种：1)反击，雷电击中线路杆塔或避雷线致使顶电

位升高，导致发生闪络并出现过电压；2)绕击，雷电绕过避雷线直接击中导线，在导线

造成过电压。感应雷过电压即雷击线路附近物体时产生的空间电磁场而在配电线路上耦

合产生的感应过电压。

110kV及以上输电线路因杆塔塔身和线路架设高度较高，故容易吸引雷电直击于铁

塔或线路。而35kV及以下配电线路因杆塔高度和线路架设高度低，雷电击于地面而产

生感应雷过电压。根据规程法计算，感应雷过电压的幅值能达到384.6kV。配电架空线

路由于绝缘水平低，易因感应过电压绝缘闪络；而高压架空输电线路，由于本身的耐雷

性能较好，感应雷过电压一般不会造成闪络

[26]

。

上述分析得到高压和配电线路雷击过电压防护重点的不同，故需要进一步通过仿真

软件对配网防雷措施进行差异化研究。

3.1 PSCAD仿真软件简介

电力系统是非常复杂的，其数学表达式的定义比航天飞行器及行星运动轨迹的定义

更要错综复杂和具有挑战性。EMTDC是具有复杂电力电子、控制器及非线性网络建模

能力的电网的模拟分析程序。对于一个好的技术人员来说它是一个很好的工具，当在

PSCAD的图形用户界面下运行时，PSCAD/EMTDC结合成的强大功能，使复杂的部分

电力系统可视化。

从20世纪70年代中期起，PSCAD就成了一种暂态模拟工具。20世纪70年代暂

态仿真发生了巨大的变化。随着计算机的发展，功能强大的文件处理系统可被用在文本

编辑等。PSCAD/EMTDC在20世纪90年代最初创立并使用在unix工作站。不久，作

为电力系统和电力电子控制器的模拟器，它取得了极大的成功。PSCAD也成为了RTDS-

时实数字仿真或混合数字仿真的图形用户界面。

程序EMTDC（Electro Magnetic Transient in DC System）是目前世界上被广泛使用

的一种电力系统仿真分析软件，它即可以研究交直流电力系统问题，又能完成电力电子

仿真及其非线性控制的多功能（Versatile Tool）工具。PSCAD（Power SystemComputer

Aided Design）是EMTDC的前处理程序，用户在面板上可以构造电气连接图，输入各

元件的参数值，运行时则通过FORTRAN编译器进行编译、连接，运行的结果可以随着

程序运行的进度在PLOT中实时生成曲线，以检验运算结果是否合理，并能与MATLAB

接口。EMTDC/PSCAD主要功能是进行电力系统时域和频域计算仿真，典型应用是计算

电力系统遭受扰动或参数变化时，电参数随时间变化的规律；另外EMTDC/PSCAD还

可以广泛的应用于高压直流输电、FACTS控制器的设计、电力系统谐波分析及其电力电

子仿真。软件还可以作为实时数字仿真器（Real Time DigitalSimulator，RTDS）的前置

端(Front End)。此外，EMTDC/PSCAD还具有强大的自定义功能，用户可以根据自己的

需要创建具有特定功能的装置。实时回放系统（RTP）是基于EMTDC/PSCAD软件的测

试系统，它可以结合EMTDC/PSCAD计算产生的结果（信号）来测试继电保护系统、

控制系统及监控系统。随着我国电力事业的发展,无论是理论研究还是现场工作,都广泛

的用到了PSCAD。

3.2仿真模型的建立

3.2.1 雷电模型

1)直击雷电过电流波形

大气中雷云放电的物理机制和过程虽然比较复杂，然而，在输电线路的防雷研究过

程中，从工程实用的角度出发，可以将其简化。在实际运用中，一般用雷电的标准电压

波形来建立雷电模型

[27]

。尽管雷电流幅值随各国自然条件而变化，但是各国测得的雷电

流波形却基本一致。据统计，其波头长度大多在20～100μs，平均约为50μs，大于50μs

的仅占18～30%。在防雷保护计算中，雷电流的波形可采用2.6/50μs。因此本课题采用的

雷电流波形均为2.6/50μs。在电力系统分析实际运用中，一般将雷电流波形利用函数表

达式来描述。常见的雷电流波形等值表达式有以下三种：等值余弦波，等值斜角波和标

准冲击波

[28]

。本文在建立的仿真模型中，采用双指数波模型

[29]

来进行仿真：

iI

0

(e

t

e

t

)

(3-1)

式中，i为雷电流值，I

0

为仿真时的某一设定值，大小根据实际需要情况取，α、β

为常数，t为雷电流传播时间。

直击雷电过电流在PSCAD中的仿真模型及波形如图3-1所示。