雷击薄弱点分析及防护辅助决策系统设计与实现

王惠丽，王中伟，彭友仙，江浩田，孙睿

(1.国网河南省电力公司三门峡供电公司，河南 三门峡 210098； 2.三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002)

雷击薄弱点分析及防护辅助决策系统设计与实现

王惠丽1，王中伟1，彭友仙2，江浩田2，孙睿2

(1.国网河南省电力公司三门峡供电公司，河南 三门峡 210098； 2.三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002)

目前雷击仍然是危及电网安全可靠运行的主要因素。本文以Visual Basic 6.0程序设计语言为开发平台，结合Microsoft Excel 12.0组件和Access数据库平台，设计并开发出一套程序化、智能化的雷击薄弱点分析及防护辅助决策系统，可单基、批量计算线路沿线杆塔雷击跳闸率，对线路进行雷击闪络风险评估，实现沿线雷击薄弱点的查找，并制定合适的防雷改造技术方案，最后为改造方案进行实施效果的预评估，方便用户快速获取输电线路沿线薄弱点及其最佳防雷改造方案。

地闪密度；雷击跳闸率；雷击薄弱点；防雷改造方案；Visual Basic 6.0；Access数据库

1 引言

防雷工作的实施涉及众多参数的分析与计算，如果在人工筛选的基础上进行计算，工作量大而繁琐，容易出错，从而影响输电线路的安全性，因此工程上迫切需要一个功能强大且操作简便的实用雷击跳闸率计算及防雷改造技术实施分析软件。

与输电线路防雷相关的软件众多，如防雷设计计算软件HVC[1]、利用Eclipse RCP设计开发的雷电灾害风险评估软件系统[2]、综合性防雷及其风险评估系统[3-5]等。但上述软件系统的功能或只实现雷击跳闸率计算，或只实现雷击闪络风险评估，并未简洁直观地给出最佳的线路雷击薄弱点防雷改造方案，后期需要工程人员人工制定防雷改造方案并筛选，仍然具有较大的工作量。因此，开发一套能够实现输电线路从雷击跳闸率计算到雷击薄弱点防雷改造方案制定全过程的程序化、智能化软件系统是非常必要的。

本软件系统采用线路走廊网格法计算线路落雷密度，采用传统电气几何模型计算线路绕击跳闸率，采用规程法计算线路反击跳闸率，确保了计算的准确性；依据国网发布的《110(66)kV～500kV架空输电线路管理规范》划分雷击闪络风险评估标准，确保评估等级的规范性；根据已有防雷措施和评估结果，为雷击薄弱点制定合适的防雷改造方案，确保“有的放矢”。本软件系统的开发进一步提高了防雷保护工作的效率。

2 雷击跳闸率计算模型介绍

2.1 地闪密度统计模型

图1 线路走廊网格统计法

如图1所示，采用线路走廊网格法示意图[6]，首先将输电线路及其走廊地理位置确定于地图之中，将5～10年雷电定位系统地闪数据置于该地图中，将该走廊分为若干个网格，如图中阴影网格所示，再依次统计落入每个网格内的地闪数目，继而得到该网格内的地闪密度。使用图2所示方法估计输电线路走廊地闪密度值，计算公式如下[7]：

(1)

式中，Ng为线路走廊统计网格内的地面落雷密度，次/(km2·a)；Ng,i为地闪密度图第i个网格内地面落雷密度，次/(km2·a)；Si为第i个网格面积，km2。

图2 输电线路走廊内地闪密度统计

2.2 雷击跳闸率计算模型

输电线路雷击跳闸率的计算主要包括绕击和反击两个部分。

(1)绕击计算模型

本文采用传统电气几何模型进行绕击率的计算，模型如图3所示，依据该模型，绕击率[8]为：

图3 电气几何模型(EGM)示意图

(2)

绕击闪络率[8]为：

(3)

式中，Ng为落雷密度(1/km2/a)；Imin为可发生绕击的最小雷电流(kA)；Imax为可发生绕击的最大雷电流(kA)；Zs为导线的暴露距离(m)；Ic为绝缘子串发生闪络的最小临界电流(kA)；p(I)为雷电流幅值的概率分布函数。

(2)反击计算模型

绝缘闪络的判断方法有定义法、波头相交法和先导发展法等，考虑到定义法过于保守，IEC不推荐其作为判断绝缘闪络的判据，而先导发展法难以实现参数的确定，故本文采用波头相交法作为绝缘闪络的判断方法。波头相交法的基本思想是：绝缘子串过电压波与伏秒特性曲线相交时，即发生闪络，不相交则认为不发生闪络。

根据GB/T 50064-2014《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》规程规定，反击跳闸率可按以下方法计算：

当作用在绝缘子串上的合成电压等于线路绝缘子串的50%冲击闪络电压U50%时，绝缘子串发生闪络，与这一临界条件相对应的雷电流幅值I即线路雷击杆塔的耐雷水平I1，计算公式如下：

(4)

式中，β为分流系数；k为考虑冲击电晕影响的耦合系数，k=k1k0；k0为导、地线间的几何耦合系数；k1为电晕校正系数，若系统电压在(0，35]kV内，则k1=1.1；若系统电压在(35，110]kV内，则k1=1.2；若系统电压在(110，330]kV内，则k1=1.25；若系统电压在(330，+∞]kV内，则k1=1.28；Rch为杆塔冲击接地电阻，Ω；Lt为塔身等值电感，μH/m。

BFOR=N·g·P1

(5)

式中，N为每100km线路的年落雷次数；g为击杆率。

综上，线路总雷击跳闸率为：

n=η·(BFOR+SFFOR)

(6)

式中，η为建弧率。

3 雷击薄弱点防雷改造方案的制定

3.1 流程图

针对雷击薄弱点制定防雷改造方案的流程如图4所示。

图4 雷击薄弱点防雷改造方案制定流程图

为了便于分析雷击薄弱点，收集数据时沿线杆塔数量达到50～100基为宜。

3.2 雷击闪络风险评估标准

输电线路杆塔雷击闪络风险等级以其计算跳闸率为衡量标准，分为A、B、C、D 共4级，依据《110(66)kV～500kV架空输电线路管理规范》，划分标准如表1所示。

表1 雷击闪络风险评估标准

表1中，Sr和Sf分别为绕击、反击跳闸率指标，Src和Sfc为绕击、反击跳闸率计算值。Sr取国家电网公司发布的《110(66)kV～500kV架空输电线路管理规范》中第八十九条中跳闸率规定值(规范中为40个雷暴日)×运行经验中绕击所占比例；Sf取跳闸率规定值×运行经验中反击所占比例。

3.3 防雷改造方案制定原则

为了保证软件系统的通用性，在制定防雷改造时，遵循兼顾降低反击和绕击跳闸率的原则。由此根据雷击风险等级评估的几种可能结果，将需要进行防雷改造的杆塔分为以下六类：

(1)故障杆塔，指发生过雷击跳闸事故且没有安装避雷器的杆塔。

(2)绕D反D杆塔，指绕击和反击跳闸率风险评估等级都为D级的杆塔。

(3)绕C反D杆塔，指绕击跳闸率风险评估等级为C级、反击跳闸率风险评估等级为D级的杆塔。

(4)绕D反C杆塔，指绕击跳闸率风险评估等级为D级、反击跳闸率风险评估等级为C级的杆塔。

(5)绕D杆塔，指绕击跳闸率风险评估等级为D级、反击跳闸率风险评估等级为A或B级的杆塔。

(6)反D杆塔，指反击跳闸率风险评估等级为D级、绕击跳闸率风险评估等级为A或B级的杆塔。

上述类别基本以风险等级从高到低排序，原则上按照这六种类别依次进行防雷改造措施的选择，逐步完善改造方案。

3.4 实施效果预评估

由于防雷措施的选择可以有不同的配比，故一般会形成多个改造方案，且不同方案的防雷改造效果有所不同。

根据制定好的防雷改造方案对输电线路的绕击、反击、总雷击改造效果进行跳闸率风险预评估，将评估结果与改造前的雷击风险评估结果进行对比，验证改造方案的有效性。

4 软件系统结构设计与实现

4.1 系统结构设计

本软件系统的整体结构如图5所示，主要由参数统计、雷击跳闸率计算、雷击风险评估、防雷改造方案制定四大模块。

图5 系统结构示意图

4.2 主要功能设计和功能模块说明

本系统采用Visual Basic 6.0开发环境。VB 6.0的工作环境是集成开发环境，它集程序的编写、修改、调试以及生成于一体，开发的软件系统可在Windows XP/7环境下使用[9]。

4.2.1 主要功能设计

(1)数据导入

考虑到全线杆塔的跳闸率计算和风险评估计算，本系统的数据导入可以实现单基、多基杆塔的参数读取，并对应到相应的批量计算后台，为下一步数据的计算做准备。相比于仅仅使用单基逐基杆塔输入，这种批量导入大大提高了参数输入的效率。

(2)数据处理与计算

数据处理包含对杆塔参数、地形参数、雷电流、地闪密度、已有防雷措施等的预处理，如杆塔位置坐标化、地闪数据求均值等，均在数据导入后，通过后台程序进行。

数据的计算包括线路走廊地闪密度计算、绕击、反击、总雷击跳闸率的计算、风险评估标准的计算、绕击、反击、总雷击薄弱点寻找计算等。

(3)数据保存与输出

完成各部分计算后，系统可将各部分计算成果分别展示与计算界面，并保存到TXT或EXCEL文件中，便于用户查看和拷贝。

(4)生成报告

根据报告模板实现某条线路从跳闸率计算到防雷改造方案的制定全过程的报告书的生成，并设计保存、打印功能。

4.2.2 功能模块说明

本软件系统在功能上主要完成线路从参数统计到雷击跳闸率计算，再到雷击风险评估，寻找出雷击薄弱点，最后制定防雷改造方案并进行实施效果预评估的全过程。

(1)参数统计模块

用于读取统计的参数，主要包括单基或多基杆塔参数统计、地形参数统计、雷电流参数模型、地闪数据统计、已有防雷措施(包括安装设备及其数量)统计等。参数均以EXCEL文件格式保存，以便于在Visual Basic开发环境中调用。

(2)雷击跳闸率计算模块

用于计算线路雷击跳闸率，该模块设计有绕击参数模型选择、杆塔冲击阻抗模型选择、单基塔跳闸率计算、计算并准备下一基、单基计算结果保存、多基导入及计算、多基计算结果保存等子功能项。

用户根据需要，可单次逐基进行计算并保存计算结果于TXT文件中，也可一次性导入多基杆塔(最多不超过1000基)并计算跳闸率，将结果保存于EXCEL文件中。

上述保存的文件均需重命名(用户自主输入容易辨别的文件名)，以便在下一模块的风险评估计算中进行调用。

(3)雷击风险评估模块

用于对待改善线路进行雷击闪络风险评估，可以调用上一模块的跳闸率计算结果，也可直接导入某条线路的已有跳闸率数据，单基杆塔逐基风险评估亦可。

该模块设计有计算风险控制指标、跳闸率数据导入、单击风险评估、评估并准备下一基、单基评估结果保存、多基风险评估、多基结果输出并保存、显示沿线薄弱点等子功能项。

(4)防雷改造方案制定模块

主要用于制定防雷改造方案并对其实施效果进行预评估。

该模块包含两大子功能模块：单基杆塔防雷改造方案制定和多基杆塔防雷改造方案制定。各子功能模块均设计有已有防雷改造措施选择、改造方案制定、方案保存、实施效果预评估、最佳方案选择、生成报告、打印并保存报告等子功能项。

各模块均设计有帮助子功能项，便于用户解决常见问题、联系软件开发方服务等。

4.3 功能模块的实现

(1)参数统计模块的实现

该模块计算过程主要在后台编码中实现，在可视化界面中以计算结果显示与Textbox控件或Label控件中。应用于不同模块的计算参数，均采用XPFrame30控件归类分隔，以便于用户直观地查阅。

(2)雷击跳闸率计算模块的实现

采用XPButton30控件制作各子功能项，其中文本参数的选择采用XPFrame30控件与OptionButton控件结合实现。

该模块通过编程实现EXCEL表格组件的创建及其数据的调用和文本型参数的读取，最后将计算结果显示于Textbox控件或Label控件中。

结果保存子功能项主要通过XPButton30控件、CommonDialog控件实现，其内部包含各中间变量计算自定义函数和中间结果保存自定义函数、变量细胞组的定义和调用。

(3)雷击风险评估模块的实现

采用XPButton30控件制作各子功能项，通过编程实现EXCEL表格组件的创建及其数据的调用，并实现风险等级评估计算的算法。

通过Adodc控件和编程共同实现数据库的创建和数据调用，实现计算结果数据的保存、数据库数据集录入、结果展示。

薄弱点的结果展示另设计可视化界面，通过MSHFlexGrid控件以可编辑表格形式展示于可视化界面，并通过XPButton30控件设计实现添加、修改、删除、刷新等子功能项。

(4)防雷改造方案制定模块的实现

防雷改造方案的制定除计算部分外，多以文本形式编辑、存储、删除及保存，主要通过Richtextbox控件的FileName属性调用RTF格式文件并显示于Richtextbox中，该控件可通过编程设置属性实现文件的可编辑与不可编辑功能。RTF格式的文件可由Word格式文件编辑转换得到。

本软件系统的可视化界面设计，主要通过Image控件、ImageList控件、Picture控件以及其他控件的Picture属性设置实现，部分控件采用美化控件 “C1StudioActiveX”软件包安装后直接使用。

5 结语

为减少电网雷电灾害事故率，全面提高输电线路的耐雷水平，进一步加强输电线路的安全性和稳定性，针对电网公司的经济性、安全性需求，考虑差异化的防雷改造，设计并开发了雷击薄弱点分析及防护辅助决策系统。本文从软件使用的计算模型、防雷改造方案制定模型、软件的结构设计、功能设计、功能模块及其实现等方面介绍了该系统。

本系统采用模块化设计，实现了对多基杆塔的批量跳闸率计算、批量绕击、反击、总雷击风险等级评估计算、批量防雷改造方案的制定及报告生成，能够为电网公司防雷检修工作提供参考和指导，提高工作效率，具有较好的推广应用价值。

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Design and Implementation of Lightning Weak Spot Analysis and Protection Reconstruction Scheme Decision System

WANGHui-li1,WANGZhong-wei1,PENGYou-xian2,JIANGHao-tian2,SUNRui2

(1.Sanmenxia Power Supply Company of Henan Electric Power,Sanmenxia 210098,China; 2.College of Electronic Engineering & New Energy,China Three Gorges University,YiChang 443002,China)

Lightning is still a major factor jeopardizing the security and reliability of power grid operation.Based on Visual Basic 6.0 programming language as the development platform,combined with Microsoft Excel 12.0 components and Access database,a set of procedural and intelligent Lightning Weak Point Analysis and Protection Reconstruction Scheme Decision System is designed and implemented.It can compute the lightning trip-out rate of a single tower and even of batch towers along a power line.Also,it has the function of assessing the levels of lightning flashover risk of batch towers along the power line,and then find out the weak spots.What′s more,appropriate lightning protection reconstruction schemes can be formulated by the system,with a implementation effect pre-assessment for the schemes.It is convenient for users to access the lightning weak spots and its best lightning protection reconstruction scheme of a power line.

lightning strike density；lightning trip-out rate；lightning weak point；lightning protection reconstruction scheme；visual basic 6.0；access database

1004-289X(2016)05-0016-05

国网河南省电力公司科技项目(SGTYHT/13-JS-175)

TM86

B

2016-06-17

王惠丽(1966-)，女，工程师，主要研究方向为电力系统； 王中伟(1976-)，男，工程师，主要研究方向为输电线路工程； 彭友仙(1991-)，女，硕士研究生，主要研究方向为输电线路工程； 江浩田(1990-)，男，硕士研究生，主要研究方向为特高压输电线路电磁环境； 孙睿(1993-)，男，硕士研究生，主要研究方向为输电线路工程。