雷电过电压一直是影响电力系统供电可靠性的最主要威胁之一，无论是对于输配电线路还是对于变配电站，雷电是产生事故的主要原因。因此对于雷电过电压的防护和治理都是电力系统不可懈怠的工作，目前大部分电力工作者在研究雷电过电压时都采用电磁暂态仿真软件(ATP-EMTP)对雷电过电压进行仿真。一旦发生雷击事故，雷电过电压对电力系统的影响较大，因此有必要对雷电仿真软件进行准确性分析和研究。
1 ATP-EMTP仿真软件雷电过电压模型介绍
对于雷电过电压仿真主要采用的是雷电直击输电线路，在输电线路上产生雷电过电压，由于输电线路中的杆塔对于雷电流的泄流存在一定的时间特性，因此绝大多数的雷电流过电压会经过输电线路的传播对其他设备(变压器、变配电站低高、压设备)造成损害。目前用的比较多的是模拟雷击三相带地线的输电线路中的一相或多项，搭建的仿真电路如图1所示。
整个模拟电路模拟的是雷电直击三相输电线路的B相，然后对输电线路上产生的雷电过电压进行检测，得出相应的雷电过电压特性。图中的雷电流采用的是ATP仿真软件中自带的Heidler冲击波电源(Heidler type 15)，对于模拟雷电流的设置主要根据仿真的实际需要，雷电流幅值可以从几千安到几千千安。对于雷电流的波头以及半波设置都一样(取波头时间为4E-6，半波时间为5E-5)，雷电在发生时因为雷电本身的特性以及发生雷击环境的不同会导致雷击时雷电流的幅值不同。而雷电流发生时无论雷电流的幅值如何变化，对于雷电流波头时间和半波时间都是雷电的固有性质，不会因为幅值以及发生雷击的环境不同而改变。由于雷电在直击输电线路之前，其产生的雷电通过存在一定的阻抗，因此在仿真电路的设置时选择设置雷电通过波阻抗，一般都选取波阻抗为400Ω。
前面主要介绍了雷电模拟电路的电源部分，对于输电线路的搭建主要有两种形式，一种是三相输电线路，另外一种是单相输电线路。用的比较多的主要是三相输电线路。图1中采用的是三相输电线路的模拟电路，图中输电线路采用的是LCC集中参数等效模型。在LCC模型中有三种输电线路的模型(Overhead line架空输电线、Single Core Cable单芯电缆以及Enclosing Pipe封闭管)，基于输电线路仿真电路的模拟，在仿真电路搭建时根据不同的需要选择不同的模型。雷击输电线路则应该采用Overhead line架空输电线，大地电导率取500S/m，杆塔线路的长度根据实际情况选择，在雷电仿真中一般选择0.2km，在选择整个LCC模型单位时采用中国的公尺(即在Units中选择Metric选项)。同时选用PI(π型等效模型)，同时考虑肌肤效应选择Skin effect。
图1中杆塔的LCC集中参数模型带有地线，由于地线对地存在一定的电感电容效应，因此在地线对地上采用接地阻抗模型。由于每一级杆塔都存在一定的对地阻抗模型，因此在每一级杆塔之后都添加一组对地阻抗模型。
图1 雷电仿真电路
2 ATP-EMTP仿真软件模型存在问题分析
前面介绍了目前对于雷电过电压ATP仿真电路模型，由于电力工作者在采用ATP仿真软件进行仿真时都是根据实际情况对电路中的模型设定相应的参数，认定设定的参数即为仿真的实际值，为了探究设置的参数是否为作用值，因此本节采用仿真电路对其进行验证和研究以及分析其存在的问题。主要问题分析仿真搭建的电路模型如图2所示。
图2 问题分析仿真电路
该仿真电路模型相对于以前的输电线路模型增加了变压器模型，同时在变压器两端采用高低压侧避雷器保护。采用变压器模型是为了模拟雷电过电压在变压器(变压器是变配电站的代表，也是配变站划分一次和二次的中间电气设备)。因为早雷击概率中最高的是雷击输电线路，但是雷击输电线路故障发生后不仅在输电线路上会产生很高的过电压，同时由于雷电过电压的波过程将沿着输电线路传递到终端杆塔上，经过终端杆塔袭击配变电站变压器以及站内相应的电气设备，因此对于变压器高低压侧过电压检测至关重要。
对于ATP仿真软件自身问题研究主要是从雷电流以及雷电过电压的准确性两个方面进行研究。分别研究ATP仿真软件搭建的电路模型在雷电流以及雷电过电压的误差分析。
2.1 雷电流误差分析研究
在以前的仿真电路模型中设置雷电流主要是从低的几千安高到几千千安，设置的参数直接雷击输电线路，但是没有去确定是否发生真正的雷击电流是否达到设定值。为了对该雷击雷电流进行准确性研究，在该仿真电路中以雷击3kA的雷电流，首先对其雷电流发生模型的雷电流输出进行检测，检测的结果如图3所示。
从图3中可以看到，经过雷电流发生模型Heidler type 15发出的雷电流幅值刚好是3kA，因此对于雷电流发生模型Heidler type 15是没有问题的，精确值达到设定值的要求。
图3 雷电流发生模型电流波形
雷电流发生模型Heidler type 15发生的雷电流幅值达到精确性要求，但是不能保证雷击点雷电流大小达到设定的值。接下来对雷击点雷电流准确性进行研究和分析。采用同样的方法对雷击点雷电流进行检测，检测结果如图4所示。
图4 雷击点霄电流坡形
由图4可以得出，设置参数为3.0kA，但是在雷击点雷电流的幅值只能达到2.2kA，相对于设置值3kA来说降低了0.8kA。按照电路知识中的KCL定律，这0.8kA电流应该在雷电通道波阻抗支路上体现出来，为了对这个进行研究，特对雷电通道波阻抗支路电流进行检测，检测结果如图5所示。
从图5可以看到，雷电通道阻抗电流幅值达到1.2kA，超过0.8kA的值，因此对于雷电流搭建的模型以及雷电通道波阻抗电流关系与电路基础知识的KCL定律不符合。
通过以上仿真研究可知在雷电发生模型设置一定值的雷电流不能完全在雷击点进行体现，设置参数值为3kA，但是在雷击点雷电流幅值只有2.2kA，雷电流的误差率为26.7%。
图5 雷电通道阻抗电流波形
2.2 雷电过电压误差分析
由于雷电发生模型到雷击点雷电流存在一定的误差，因此在输电线路以及配变电站上产生的雷电过电压同样将产生相应的误差。为了研究因为雷电流的误差导致雷电过电压的差异情况进行研究，这一节将对雷电流发生模型点的雷电流3kA以及雷击点雷电流达到3kA两种情况下对比分析。并定义在雷电发生模型为3kA情况下为方案一，在雷击点电流为3kA时设定为方案二。
首先对雷电流发生模型下雷电流为3kA情况下进行过电压仿真研究，主要针对雷击点、输电线路、以及变压器高、低压侧过电压进行仿真研究(分别对这4个点过电压在雷电发生模型以及雷击点分别为3kA的情况下过电压差异进行分析)。在雷电流雷击B相时对于雷击点、输电线路、以及变压器高、低压侧B相过电压如图6所示。
图6是对雷电发生模型设置参数雷电流为3kA下，雷击点、输电线路、以及变压器高、低压侧B相过电压波形。从仿真过电压波形图可以看出雷击点过电压幅值为481.6kV，输电线路过电压幅值为471.7kV，变压器高、低压侧在有避雷器的保护下雷电过电压分别为93.1、3.9kV。
图6 方案一下过电压波形
为了研究雷击点电压为3kA情况下各点过电压情况，因此首先得设置雷电发生模型雷电参数使得雷击点雷电流达到3kA。因此对雷电参数进行试验得到，经过反复试验调整雷电发生模型参数，得到雷击点输出3kA电流。雷电发生模型参数以及雷击点电流对应关系如表1所示。
表1 对应雷电流关系
表1是为了得到雷击点对雷电发生模型参数进行仿真实验得到的相应对比数据，从表1数据可知，为了得到雷击点电流值为3kA，则要设置雷电发生模型电流为4070～4075A之间，在这设置参数取值为4073A(经过仿真此时雷击点电流为2999.6A)，根据这个参数电流值再对该仿真电路进行研究，对四点过电压进行检测，检测的结果如图7所示。
图7是对雷击点参数雷电流为3kA下，雷击点、输电线路，以及变压器高、低压侧B相过电压波形。从图7可以看出，雷击点过电压幅值为653.8kV，输电线路过电压幅值为640.4kV，变压器高、低压侧在有避雷器的保护下雷电过电压分别为96.9kV以及4.1kV。
图7 方案二下过电压波形
为了方便对比分析，把方案一以及方案二相应的雷击点、输电线路，以及变压器高、低压侧B相过电压的相应的数据处理如表2所示。
表2 各点过电压误差
表2是针对方案一与方案二仿真作用下对于雷击点、输电线路，以及变压器高、低压侧B相过电压的误差数据。从表2可知，如果在电力仿真中采用值对雷电发生模型设置一定的参数(也就是方案一)，那么得到的过电压仿真结果(方案二)将与实际的仿真结果存在一定的误差。而且在雷击点以及输电线路上过电压的误差达到26.3%，对于变压器高低压侧过电压的误差率同样达到了4%左右。
3 ATP雷电仿真误差影响分析
整个ATP雷击过电压仿真研究存在误差的原因主要是因为雷电发生模型Heidler type 15在设定参数后，在雷击点不能完全体现参数的数值。而整个误差体现的形式是以过电压的误差率体现，因此主要分析过电压误差对于电力系统的影响。
3.1 过电压误差对于输电线路的影响
雷电过电压误差对于输电线路的影响主要是指过电压对于杆塔的绝缘子产生闪络或者绝缘击穿。在绝缘子设计时根据输电线路的绝缘等级一级绝缘子的绝缘性能进行绝缘配合，因此每一条输电线路上杆塔绝缘子的型号及片数都是根据电力规程以及实验室冲击试验得到。因此杆塔上的绝缘子都是存在固定的耐压值，如果超过一定值则会导致其发生绝缘闪络，严重时将发生绝缘击穿，引起绝缘子炸裂，进而引起停电事故。
雷电过电压对输电线路另外一个影响是对于杆塔的接地，由于杆塔的接地设计也是根据电力规程相应的设计接地电阻的阻值大小。由于雷电流在杆塔处经过引下线流入接地电阻，经过接地电阻泄人大地。由于泄流存在一定的残压，因此在杆塔会存在顶端电压，雷电流的大小以及杆塔接地电阻的阻值直接影响到顶端电压的大小。一旦雷电过电压误差较大，则会发生实际顶端电压过高，在顶端和输电线路发生反击事故。
3.2 过电压误差对配变电站的影响
雷电过电压对于配变电站的影响主要是指对站内主变变压器以及站内二次设备影响，对于主变变压器主要是指雷电波过电压沿着输电线路传播，入侵到主变变压器，在变压器高低压侧产生过电压，容易发生绕组绝缘受损甚至击穿的事故。同时，由于雷电来波特性，在变压器中性点形成很高的过电压，很容易发生中性点对地放电以及中性点绝缘击穿事故，导致整个变配电站发生停电事故，影响整个下级供电的供电可靠性。
由于变压器的电磁感应特性，雷电过电压会经过变压器绕组的电磁变换，传递到低压侧。由于配变电站低压设备的绝缘水平比较低，承受不了雷电波过电压的大小，就容易发生站内开关、电源、互感器以及其他电力设备的烧毁，进而发生停电事故。
4 结语
由于仿真中雷电发生模型带有雷电通道波阻抗支路，在雷击点产生的雷电流幅值并不能达到设置的参数值，误差率达到26.7%。
由于雷电流存在误差，导致雷电过电压在整个电力系统上体现的过电压大小也存在一定的误差，并且在变压器器高压侧的过电压误差率26.3%，相对于低压侧4%影响更大。
