基于EMTP的电能表雷电浪涌过电压防护分析

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(国网山东省电力公司电力科学研究院，济南 250002)

0 引言

电能表是电力系统中主要的计量装置，用于对用电量的测量。传统的机械电能表仅具备单一计量功能，电子式电能表还具备分时段计量、测量数据的采集、存储及实时传输和实时监测与异常状况诊断等功能，因此得到越来越广泛的应用[1]。随着电子技术的迅猛发展，电子式电能表中的计量芯片等电子器件也向集成化、小型化、高速化发展[2]，但这些器件耐受过电压和过流的能力较弱，雷电浪涌极易造成电表数据计量丢失或错乱，影响电能计量精确度，甚至烧毁电表，威胁其他用电设备，更有甚者造成供电中断，影响电网安全稳定运行[3]。

针对电能表等计量设备的雷电浪涌防护试验多采用8/20 μs电流波或1.2/50-8/20 μs组合波[4-5]，波形均呈脉冲状，但实际电能表面临的雷电浪涌过电压沿线路传播过程中波形会产生多次折反射[6]，呈现较为明显的振荡，且波头时间一般较陡，实际线路雷电过电压观测波形[7]也证明了这一点，因此需要对电能表的雷电浪涌过电压防护进行详细分析。EMTP、PSCAD等软件[8]能够准确考虑线路系统结构特征，较为精确计算线路雷电浪涌过电压[9]。

笔者通过EMTP软件建立简化配电系统模型，计算电能表遭受雷电浪涌过电压，讨论配电线路采取避雷器防护措施对电能表终端浪涌过电压的影响，分析柱上变压器距电能表不同距离下的终端过电压，最后研究电能表终端前安装SPD的防护效果。

1 电能表的雷击损害机理

雷电对电能表的危害方式主要有雷电直击和雷电电磁感应两种。根据统计，电能表遭受雷电直击发生损坏的概率很低[10]，更多的是雷电电磁感应。雷电电磁感应的浪涌过电压通过电源线或金属管线传导至电能表。雷电直击线路或在线路上耦合感应产生过电压可达几百kV[11]，浪涌过电压沿线路传播至电能表终端时，如果幅值超过电能表冲击耐受电压时，便会损坏电能表。此外，雷电发生时产生快速变化的瞬态电磁场，以电磁辐射的方式向周围空间传播，而电能表中的电子器件对电磁脉冲特别敏感，抗电磁干扰能力较弱，极易造成器件误动作甚至永久损坏[12]。

2 仿真计算模型

配电线路模型见图1，包括10 kV架空线路、10 kV/220 V柱上变压器、220 V线路、电能表和用电设备[13]。

图1 配电线路模型Fig.1 Configuration of the distribution power system

2.1 雷电流模型

雷电流波形选用较为符合雷电发展实际规律的Heidler模型，其表达式为[14]

(1)

式中：I0为雷电流幅值；τ1和τ2分别为电流上升和衰减时间常数；n与雷电流陡度有关，IEC标准推荐取10。

2.2 架空线路与变压器模型

10 kV架空线路采用Jmarti模型，高度为9.6 m，线路型号为LGJ-50钢芯铝绞线。线路杆塔波阻抗取250 Ω，电感平均值为0.84 μH/m，杆塔档距50 m。220 V架空线路采用Bergeron模型[10]，线路波阻抗为310.68 Ω。

对地电容模型是最为简单和常见的柱上变压器模型，但其无法考虑变压器的频率特性和线路高低压侧的过度冲击现象[15]，因此仿真中选用Janiszewski等人提出的高频变压器模型，高频变压器等效模型图见图2[16]。

图2 柱上变压器高频模型Fig.2 High-frequency model of distribution transformer

2.3 避雷器和智能电表模型

在实际防护中，10 kV线路有时会安装金属氧化物避雷器，仿真中采用非线性电阻模拟金属氧化物避雷器，其流经电流与电压之间服从下式关系：

i=kuα

(2)

式中：i为流经避雷器的电流；u为避雷器上电压；系数k和α根据避雷器产品具体数据拟合得到。仿真中10 kV配电避雷器型号为YH5W-17/50[17]，直流参考电压U1mA为25 kV。

电能表内部结构较为复杂，电源模块和表内PT回路是过电压侵入的主要途径[18]，仿真中主要考虑这两部分，电能表等效为变压器、整流桥和稳压芯片组成[10]。

3 仿真结果分析

3.1 浪涌过电压

变压器高压侧200 m处10 kV线路遭受雷击时，流向电能表的电流波形和对地电压波形见图3。雷电流幅值50 kA，波形2.6/50 μs，对应的雷电流通道等值波阻抗取700 Ω[19]。变压器距电能表线路距离100 m，杆塔每两基安装一组避雷器，杆塔接地电阻10 Ω。

(a)电流波形

(b)对地电压波形图3 电能表电流波形和对地电压波形Fig.3 Wire current and voltage-to-ground of the watt-hour meter

由图3可看出，流向电能表电流波形和电能表对地电压波形均呈现较为明显的振荡，主要是由于雷电波在配电系统传输过程中阻抗不匹配导致多次折反射。电能表对地过电压幅值配电系统中IV类冲击耐受电压(6 kV)，会对电能表绝缘造成严重危害。此外，过电压波头时间较陡，电压变化率较高，不利于雷电防护。

3.2 安装配电避雷器

不同避雷器安装间距下流向电能表的电流幅值和对地过电压幅值见图4。

从图4可看出，随着避雷器安装密度的增加，流向电能表电流和对地过电压幅值降低。每基杆塔均安装避雷器时对地过电压比每4基杆塔安装避雷器时降低30%。但是避雷器安装越密，对应的成本越高，推荐将避雷器安装于低绝缘水平或高接地电阻杆塔上[20]。

电能表对地过电压幅值累积分布概率曲线见图5。

图5表明，电能表对地过电压幅值累积概率分布曲线随着避雷器安装间距的增大而整体右移，即出现幅值高的过电压概率增大。累积幅值概率曲线出现突然下降的情况主要是由于变压器高压侧前端避雷器限压作用。

(a)电流

(b)电压图4 电能表电流和对地电压幅值随避雷器安装间距变化Fig.4 Wire current and voltage-to-ground of the watt-hour meter under different distribution arrester configurations

图5 电能表对地过电压幅值累积概率分布曲线Fig.5 Cumulative-probability distribution of voltage-to-ground of the watt-hour meter

3.3 安装SPD防护效果

即使10 kV线路安装有避雷器，从高压侧传递至电能表的过电压仍然较高，有必要在电能表前端安装SPD。图6给出了安装SPD后，电能表对地过电压波形。SPD直流参考电压U1mA为1.3 kV，10 kA电流冲击下残压为2.9 kV。

由图6可看出，电能表前端安装SPD后，对地过电压幅值和陡度都得到明显抑制。过电压幅值未超过2 kV，SPD起到了有效保护作用。

不同接地电阻和线路长度下电能表对地过电压变化见图7。

图6 安装SPD后电能表对地过电压波形Fig.6 Voltage-to-ground of the watt-hour meter after installing SPD

图7 不同接地电阻和线路长度下对地过电压Fig.7 Voltage-to-ground of the watt-hour meter under different line length and ground resistance

由图7可看出，随着线路长度增加，电能表对地过电压增大，这主要是受电能表负载与线路阻抗之间的谐振影响[20]。接地电阻对电能表对地过电压影响十分明显，100 Ω接地电阻情况下，即使安装了配电避雷器和SPD，对地过电压仍然超过了6 kV，需要尽可能降低SPD接地电阻。

4 结论

利用EMTP软件，分析了变压器高压侧200 m处10 kV线路遭受雷击时，流向电能表的电流I和电能表对地电压U，得到如下结论：

1)I和U的波形均呈现较为明显的振荡，且波头时间较短。U幅值较高，极易超过其冲击耐受电压。

2)I和U幅值均着避雷器安装密度的增加而降低，对应的过电压幅值累积概率分布曲线也整体左移。

3)U随着220 V线路长度增加而增大。电能表前端安装SPD后能够有效降低对地过电压，使设备得到较好的保护，但需要尽可能降低SPD接地电阻。