雷擊薄弱點分析及防護輔助決策系統設計與實現

王惠麗，王中偉，彭友仙，江浩田，孫睿

(1.國網河南省電力公司三門峽供電公司，河南 三門峽 210098； 2.三峽大學電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002)

雷擊薄弱點分析及防護輔助決策系統設計與實現

王惠麗1，王中偉1，彭友仙2，江浩田2，孫睿2

(1.國網河南省電力公司三門峽供電公司，河南 三門峽 210098； 2.三峽大學電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002)

目前雷擊仍然是危及電網安全可靠運行的主要因素。本文以Visual Basic 6.0程序設計語言為開發平臺，結合Microsoft Excel 12.0組件和Access數據庫平臺，設計并開發出一套程序化、智能化的雷擊薄弱點分析及防護輔助決策系統，可單基、批量計算線路沿線桿塔雷擊跳閘率，對線路進行雷擊閃絡風險評估，實現沿線雷擊薄弱點的查找，并制定合適的防雷改造技術方案，最后為改造方案進行實施效果的預評估，方便用戶快速獲取輸電線路沿線薄弱點及其最佳防雷改造方案。

地閃密度；雷擊跳閘率；雷擊薄弱點；防雷改造方案；Visual Basic 6.0；Access數據庫

1 引言

防雷工作的實施涉及眾多參數的分析與計算，如果在人工篩選的基礎上進行計算，工作量大而繁瑣，容易出錯，從而影響輸電線路的安全性，因此工程上迫切需要一個功能強大且操作簡便的實用雷擊跳閘率計算及防雷改造技術實施分析軟件。

與輸電線路防雷相關的軟件眾多，如防雷設計計算軟件HVC[1]、利用Eclipse RCP設計開發的雷電災害風險評估軟件系統[2]、綜合性防雷及其風險評估系統[3-5]等。但上述軟件系統的功能或只實現雷擊跳閘率計算，或只實現雷擊閃絡風險評估，并未簡潔直觀地給出最佳的線路雷擊薄弱點防雷改造方案，后期需要工程人員人工制定防雷改造方案并篩選，仍然具有較大的工作量。因此，開發一套能夠實現輸電線路從雷擊跳閘率計算到雷擊薄弱點防雷改造方案制定全過程的程序化、智能化軟件系統是非常必要的。

本軟件系統采用線路走廊網格法計算線路落雷密度，采用傳統電氣幾何模型計算線路繞擊跳閘率，采用規程法計算線路反擊跳閘率，確保了計算的準確性；依據國網發布的《110(66)kV～500kV架空輸電線路管理規范》劃分雷擊閃絡風險評估標準，確保評估等級的規范性；根據已有防雷措施和評估結果，為雷擊薄弱點制定合適的防雷改造方案，確保“有的放矢”。本軟件系統的開發進一步提高了防雷保護工作的效率。

2 雷擊跳閘率計算模型介紹

2.1 地閃密度統計模型

圖1 線路走廊網格統計法

如圖1所示，采用線路走廊網格法示意圖[6]，首先將輸電線路及其走廊地理位置確定于地圖之中，將5～10年雷電定位系統地閃數據置于該地圖中，將該走廊分為若干個網格，如圖中陰影網格所示，再依次統計落入每個網格內的地閃數目，繼而得到該網格內的地閃密度。使用圖2所示方法估計輸電線路走廊地閃密度值，計算公式如下[7]：

(1)

式中，Ng為線路走廊統計網格內的地面落雷密度，次/(km2·a)；Ng,i為地閃密度圖第i個網格內地面落雷密度，次/(km2·a)；Si為第i個網格面積，km2。

圖2 輸電線路走廊內地閃密度統計

2.2 雷擊跳閘率計算模型

輸電線路雷擊跳閘率的計算主要包括繞擊和反擊兩個部分。

(1)繞擊計算模型

本文采用傳統電氣幾何模型進行繞擊率的計算，模型如圖3所示，依據該模型，繞擊率[8]為：

圖3 電氣幾何模型(EGM)示意圖

(2)

繞擊閃絡率[8]為：

(3)

式中，Ng為落雷密度(1/km2/a)；Imin為可發生繞擊的最小雷電流(kA)；Imax為可發生繞擊的最大雷電流(kA)；Zs為導線的暴露距離(m)；Ic為絕緣子串發生閃絡的最小臨界電流(kA)；p(I)為雷電流幅值的概率分布函數。

(2)反擊計算模型

絕緣閃絡的判斷方法有定義法、波頭相交法和先導發展法等，考慮到定義法過于保守，IEC不推薦其作為判斷絕緣閃絡的判據，而先導發展法難以實現參數的確定，故本文采用波頭相交法作為絕緣閃絡的判斷方法。波頭相交法的基本思想是：絕緣子串過電壓波與伏秒特性曲線相交時，即發生閃絡，不相交則認為不發生閃絡。

根據GB/T 50064-2014《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》規程規定，反擊跳閘率可按以下方法計算：

當作用在絕緣子串上的合成電壓等于線路絕緣子串的50%沖擊閃絡電壓U50%時，絕緣子串發生閃絡，與這一臨界條件相對應的雷電流幅值I即線路雷擊桿塔的耐雷水平I1，計算公式如下：

(4)

式中，β為分流系數；k為考慮沖擊電暈影響的耦合系數，k=k1k0；k0為導、地線間的幾何耦合系數；k1為電暈校正系數，若系統電壓在(0，35]kV內，則k1=1.1；若系統電壓在(35，110]kV內，則k1=1.2；若系統電壓在(110，330]kV內，則k1=1.25；若系統電壓在(330，+∞]kV內，則k1=1.28；Rch為桿塔沖擊接地電阻，Ω；Lt為塔身等值電感，μH/m。

BFOR=N·g·P1

(5)

式中，N為每100km線路的年落雷次數；g為擊桿率。

綜上，線路總雷擊跳閘率為：

n=η·(BFOR+SFFOR)

(6)

式中，η為建弧率。

3 雷擊薄弱點防雷改造方案的制定

3.1 流程圖

針對雷擊薄弱點制定防雷改造方案的流程如圖4所示。

圖4 雷擊薄弱點防雷改造方案制定流程圖

為了便于分析雷擊薄弱點，收集數據時沿線桿塔數量達到50～100基為宜。

3.2 雷擊閃絡風險評估標準

輸電線路桿塔雷擊閃絡風險等級以其計算跳閘率為衡量標準，分為A、B、C、D 共4級，依據《110(66)kV～500kV架空輸電線路管理規范》，劃分標準如表1所示。

表1 雷擊閃絡風險評估標準

表1中，Sr和Sf分別為繞擊、反擊跳閘率指標，Src和Sfc為繞擊、反擊跳閘率計算值。Sr取國家電網公司發布的《110(66)kV～500kV架空輸電線路管理規范》中第八十九條中跳閘率規定值(規范中為40個雷暴日)×運行經驗中繞擊所占比例；Sf取跳閘率規定值×運行經驗中反擊所占比例。

3.3 防雷改造方案制定原則

為了保證軟件系統的通用性，在制定防雷改造時，遵循兼顧降低反擊和繞擊跳閘率的原則。由此根據雷擊風險等級評估的幾種可能結果，將需要進行防雷改造的桿塔分為以下六類：

(1)故障桿塔，指發生過雷擊跳閘事故且沒有安裝避雷器的桿塔。

(2)繞D反D桿塔，指繞擊和反擊跳閘率風險評估等級都為D級的桿塔。

(3)繞C反D桿塔，指繞擊跳閘率風險評估等級為C級、反擊跳閘率風險評估等級為D級的桿塔。

(4)繞D反C桿塔，指繞擊跳閘率風險評估等級為D級、反擊跳閘率風險評估等級為C級的桿塔。

(5)繞D桿塔，指繞擊跳閘率風險評估等級為D級、反擊跳閘率風險評估等級為A或B級的桿塔。

(6)反D桿塔，指反擊跳閘率風險評估等級為D級、繞擊跳閘率風險評估等級為A或B級的桿塔。

上述類別基本以風險等級從高到低排序，原則上按照這六種類別依次進行防雷改造措施的選擇，逐步完善改造方案。

3.4 實施效果預評估

由于防雷措施的選擇可以有不同的配比，故一般會形成多個改造方案，且不同方案的防雷改造效果有所不同。

根據制定好的防雷改造方案對輸電線路的繞擊、反擊、總雷擊改造效果進行跳閘率風險預評估，將評估結果與改造前的雷擊風險評估結果進行對比，驗證改造方案的有效性。

4 軟件系統結構設計與實現

4.1 系統結構設計

本軟件系統的整體結構如圖5所示，主要由參數統計、雷擊跳閘率計算、雷擊風險評估、防雷改造方案制定四大模塊。

圖5 系統結構示意圖

4.2 主要功能設計和功能模塊說明

本系統采用Visual Basic 6.0開發環境。VB 6.0的工作環境是集成開發環境，它集程序的編寫、修改、調試以及生成于一體，開發的軟件系統可在Windows XP/7環境下使用[9]。

4.2.1 主要功能設計

(1)數據導入

考慮到全線桿塔的跳閘率計算和風險評估計算，本系統的數據導入可以實現單基、多基桿塔的參數讀取，并對應到相應的批量計算后臺，為下一步數據的計算做準備。相比于僅僅使用單基逐基桿塔輸入，這種批量導入大大提高了參數輸入的效率。

(2)數據處理與計算

數據處理包含對桿塔參數、地形參數、雷電流、地閃密度、已有防雷措施等的預處理，如桿塔位置坐標化、地閃數據求均值等，均在數據導入后，通過后臺程序進行。

數據的計算包括線路走廊地閃密度計算、繞擊、反擊、總雷擊跳閘率的計算、風險評估標準的計算、繞擊、反擊、總雷擊薄弱點尋找計算等。

(3)數據保存與輸出

完成各部分計算后，系統可將各部分計算成果分別展示與計算界面，并保存到TXT或EXCEL文件中，便于用戶查看和拷貝。

(4)生成報告

根據報告模板實現某條線路從跳閘率計算到防雷改造方案的制定全過程的報告書的生成，并設計保存、打印功能。

4.2.2 功能模塊說明

本軟件系統在功能上主要完成線路從參數統計到雷擊跳閘率計算，再到雷擊風險評估，尋找出雷擊薄弱點，最后制定防雷改造方案并進行實施效果預評估的全過程。

(1)參數統計模塊

用于讀取統計的參數，主要包括單基或多基桿塔參數統計、地形參數統計、雷電流參數模型、地閃數據統計、已有防雷措施(包括安裝設備及其數量)統計等。參數均以EXCEL文件格式保存，以便于在Visual Basic開發環境中調用。

(2)雷擊跳閘率計算模塊

用于計算線路雷擊跳閘率，該模塊設計有繞擊參數模型選擇、桿塔沖擊阻抗模型選擇、單基塔跳閘率計算、計算并準備下一基、單基計算結果保存、多基導入及計算、多基計算結果保存等子功能項。

用戶根據需要，可單次逐基進行計算并保存計算結果于TXT文件中，也可一次性導入多基桿塔(最多不超過1000基)并計算跳閘率，將結果保存于EXCEL文件中。

上述保存的文件均需重命名(用戶自主輸入容易辨別的文件名)，以便在下一模塊的風險評估計算中進行調用。

(3)雷擊風險評估模塊

用于對待改善線路進行雷擊閃絡風險評估，可以調用上一模塊的跳閘率計算結果，也可直接導入某條線路的已有跳閘率數據，單基桿塔逐基風險評估亦可。

該模塊設計有計算風險控制指標、跳閘率數據導入、單擊風險評估、評估并準備下一基、單基評估結果保存、多基風險評估、多基結果輸出并保存、顯示沿線薄弱點等子功能項。

(4)防雷改造方案制定模塊

主要用于制定防雷改造方案并對其實施效果進行預評估。

該模塊包含兩大子功能模塊：單基桿塔防雷改造方案制定和多基桿塔防雷改造方案制定。各子功能模塊均設計有已有防雷改造措施選擇、改造方案制定、方案保存、實施效果預評估、最佳方案選擇、生成報告、打印并保存報告等子功能項。

各模塊均設計有幫助子功能項，便于用戶解決常見問題、聯系軟件開發方服務等。

4.3 功能模塊的實現

(1)參數統計模塊的實現

該模塊計算過程主要在后臺編碼中實現，在可視化界面中以計算結果顯示與Textbox控件或Label控件中。應用于不同模塊的計算參數，均采用XPFrame30控件歸類分隔，以便于用戶直觀地查閱。

(2)雷擊跳閘率計算模塊的實現

采用XPButton30控件制作各子功能項，其中文本參數的選擇采用XPFrame30控件與OptionButton控件結合實現。

該模塊通過編程實現EXCEL表格組件的創建及其數據的調用和文本型參數的讀取，最后將計算結果顯示于Textbox控件或Label控件中。

結果保存子功能項主要通過XPButton30控件、CommonDialog控件實現，其內部包含各中間變量計算自定義函數和中間結果保存自定義函數、變量細胞組的定義和調用。

(3)雷擊風險評估模塊的實現

采用XPButton30控件制作各子功能項，通過編程實現EXCEL表格組件的創建及其數據的調用，并實現風險等級評估計算的算法。

通過Adodc控件和編程共同實現數據庫的創建和數據調用，實現計算結果數據的保存、數據庫數據集錄入、結果展示。

薄弱點的結果展示另設計可視化界面，通過MSHFlexGrid控件以可編輯表格形式展示于可視化界面，并通過XPButton30控件設計實現添加、修改、刪除、刷新等子功能項。

(4)防雷改造方案制定模塊的實現

防雷改造方案的制定除計算部分外，多以文本形式編輯、存儲、刪除及保存，主要通過Richtextbox控件的FileName屬性調用RTF格式文件并顯示于Richtextbox中，該控件可通過編程設置屬性實現文件的可編輯與不可編輯功能。RTF格式的文件可由Word格式文件編輯轉換得到。

本軟件系統的可視化界面設計，主要通過Image控件、ImageList控件、Picture控件以及其他控件的Picture屬性設置實現，部分控件采用美化控件 “C1StudioActiveX”軟件包安裝后直接使用。

5 結語

為減少電網雷電災害事故率，全面提高輸電線路的耐雷水平，進一步加強輸電線路的安全性和穩定性，針對電網公司的經濟性、安全性需求，考慮差異化的防雷改造，設計并開發了雷擊薄弱點分析及防護輔助決策系統。本文從軟件使用的計算模型、防雷改造方案制定模型、軟件的結構設計、功能設計、功能模塊及其實現等方面介紹了該系統。

本系統采用模塊化設計，實現了對多基桿塔的批量跳閘率計算、批量繞擊、反擊、總雷擊風險等級評估計算、批量防雷改造方案的制定及報告生成，能夠為電網公司防雷檢修工作提供參考和指導，提高工作效率，具有較好的推廣應用價值。

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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

國網河南省電力公司科技項目(SGTYHT/13-JS-175)

TM86

B

2016-06-17

王惠麗(1966-)，女，工程師，主要研究方向為電力系統； 王中偉(1976-)，男，工程師，主要研究方向為輸電線路工程； 彭友仙(1991-)，女，碩士研究生，主要研究方向為輸電線路工程； 江浩田(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向為特高壓輸電線路電磁環境； 孫睿(1993-)，男，碩士研究生，主要研究方向為輸電線路工程。