《電網雷害分布確定方法》是國網武漢高壓研究院、華北電力科學研究院有限責任公司於2008年4月21日申請的發明專利，該專利申請號為200810047398，公布號為CN101261616，專利公布日為2008年9月10日，發明人是陳家宏、王劍、童雪芳、劉亞新、張勤、羅毅、王海濤、馮萬興、谷山強、李曉嵐。
《電網雷害分布確定方法》採用計算機對雷電自動監測數據進行處理，建立資料庫，以地理信息系統和資料庫為分析平台，採用格線法統計雷電參數，依據典型判據用計算機統計雷電資料，獲得相應物體的雷害分布；其基本步驟如下：首先，將雷電自動監測數據通過計算機存入資料庫；對數字地圖上的選定區域進行格線劃分；對每個格線的數據資料進行統計；統計出雷電參數；根據電網絕緣結構，將能引起輸電線絕緣子串發生閃絡的危險雷電流幅值範圍值作為判據，統計雷電的電流幅值屬性，剔除判據之外的數據；將已發生的輸電線路雷擊閃絡事件記錄的專題屬性數據存儲進計算機；用計算機計算出相應地理分布圖層，獲得電網電子雷害分布圖。優點是，方法簡單明了，具有很好的操作性和實用性。
2010年11月15日，《電網雷害分布確定方法》獲得第十二屆中國專利獎優秀獎。
（概述圖為《電網雷害分布確定方法》的摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：電網雷害分布確定方法
- 公布號：CN101261616
- 公布日：2008年9月10日
- 申請號：200810047398
- 申請日：2008年4月21日
- 申請人：國網武漢高壓研究院、華北電力科學研究院有限責任公司
- 地址：湖北省武漢市洪山區珞喻路143號
- 發明人：陳家宏、王劍、童雪芳、劉亞新、張勤、羅毅、王海濤、馮萬興、谷山強、李曉嵐
- 代理機構：湖北武漢永嘉專利代理有限公司
- 代理人：李雙全、莫青
- Int.Cl.：G06F17/00（2006.01）I
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
電網雷害分布是一種表示高壓輸電線路發生雷擊閃絡危險機率的統計技術，是輸電線路防雷設計和制定防護措施的依據。工程界只能依據僅有描述雷電活動規律的、且有長期記錄的雷電日資料來劃分雷電活動區域，如平均雷電日不超過15天的定義為少雷區，平均雷電日超過40天的定義為多雷區，平均雷電日超過90天的定義為強雷區。據申請人所知，這種簡單劃分雷區方法的最大不足是“雷電日”本身不能完全表征雷電活動特徵，即一個雷電日無法表示具體雷電出現的頻次。因而，這種簡單劃分雷區方法對防雷工程設計而言，其指導作用極為有限。今天，隨著以雷電定位系統為代表的現代化雷電監測設備在世界範圍內獲得了廣泛套用，使人們極為關注的區域地閃特徵：如位置、雷電流幅值與極性、發生的時間等參數的獲得及其套用成為可能。用表征雷電分布的地閃密度（fl/平方千米/安）替代雷電日是一種趨勢。如中國專利文獻（專利申請號200610124786.3）“雷電參數格線統計法”公開的採用格線法統計包括地閃密度的雷電參數統計方法就是一個很好的實例。申請人在研究中發現，地閃密度分布是表征地面雷電活動強弱及分布的最基礎信息，是地面物體防雷設計可參照的基礎；但具體到電網防雷設計而言，因其本身的結構特徵以及所代表的絕緣特性，並非全部雷電能引起高壓架空輸電線路和變電站絕緣閃絡，而只是部分被稱為危險的雷電能造成電網閃絡；這部分對電網有危害的雷電分布並不等同地閃密度分布；因此，就所關心的電網而言，2008年4月之前地閃密度分布並沒能直觀反映出電網雷害分布，因而也非直接簡明的電網防雷設計依據。2008年4月之前，在中國超高壓輸電線路統計的跳閘事件中，由於雷擊閃絡造成的跳閘事件占了一半。儘管有些防雷裝置的性能十分優良，但受其保護範圍及造價限制，實難在高壓輸電線路的全線裝設，因而工程迫切需要一種能表示出電網雷害分布的、能指導高壓輸電線路“有的放矢”實施防雷保護的技術。
由於電網因其分布廣、輸電線路絕緣等級多、雷害成因複雜，再加上用雷電定位系統獲得的海量數據，以及在地理上處理各類複雜的空間專題屬性數據均與電網雷害分布有關，因而必須用計算機及信息系統平台進行數據處理，才能實現電網雷害分布統計的自動化技術。到2008年4月之前而止，還沒有一種有效的、自動的統計技術能做到對大區域、大樣本、多種絕緣電網雷害分布統計，這種狀況急需改變。
發明內容
專利目的
《電網雷害分布確定方法》的目的是，克服2008年4月之前技術的不足，提出電網雷害分布確定方法。該發明屬於一種生成電網雷害分布的計算機自動統計技術，適用於大區域、大樣本、多種絕緣電網雷害分布統計。
技術方案
《電網雷害分布確定方法》的技術解決方案是，採用計算機對雷電自動監測數據進行處理，建立資料庫，以地理信息系統（簡稱GIS）和資料庫為分析平台，採用格線法統計雷電參數，其特徵在於，針對地面物體的抵禦雷擊能力及其特徵，設定物體雷害的典型判據，再依據典型判據，採用計算機統計處理雷電資料，獲得相應物體的雷害分布；基本步驟如下：
（1）首先，將雷電自動監測數據按時間、位置、雷電流幅值與極性、主放電與次序放電的專題屬性數據通過計算機存入資料庫；採用有地理信息系統處理功能的電腦程式對數字地圖上的選定區域進行等面積格線劃分；由計算機對每個格線的數據資料進行統計；並且使雷電監測數據被賦於雷電專題屬性和地理屬性，自動劃分的每個格線具有與雷電監測數據相同坐標系地理屬性；採用格線法統計出的雷電參數關聯格線所在地域，設定每個格線為一個雷電統計單元；將資料庫中的專題數據按地理屬性調入對應網路作為統計樣本，統計每個格線出現雷電次數；
（2）根據電網絕緣結構，即電網電壓等級、輸電線路構架、地形因素，將能引起輸電線絕緣子串發生閃絡的危險雷電流幅值範圍值作為判據，統計每個格線中雷電的電流幅值屬性，剔除判據之外的數據，再將各格線的年雷電次數除以格線面積，獲得電網雷害分布；
（3）將已發生的輸電線路雷擊閃絡事件記錄按發生時間、位置坐標、閃絡類型、電壓等級的專題屬性數據存儲進計算機中的雷擊故障資料庫，將雷擊閃絡事件依次按照其專題屬性調入其對應電網雷害分布格線，以該格線為中心，對相連格線進行標記，獲得電網歷史雷害區域；
其特徵在於，根據電網絕緣結構，即電網電壓等級、輸電線路構架、地形因素，將能引起輸電線絕緣子串發生閃絡的危險雷電流幅值範圍值作為判據，此判據分為分反擊危險電流和繞擊危險電流判據，統計每個格線中雷電的電流幅值屬性，剔除判據之外的數據，獲得電網反擊雷害分布和電網繞擊雷害分布。
改善效果
《電網雷害分布確定方法》的優點是，採用該發明實現了用計算機有效、自動的對大區域、大樣本、自動監測的雷電資料與電網各種絕緣結構特性相結合雷電危害分布統計方法，解決了2008年4月之前用雷電日分區、用地閃密度分布無法明確確定電網雷害分布的難題。該發明實現方法簡單、明了，具有很好的操作性和實用性。
附圖說明
圖1、《電網雷害分布確定方法》的原理框圖。
圖2、華北地區500千伏電網2003年～2006年反擊電網雷害分布圖。
圖3、華北地區500千伏電網2003年～2006年繞擊電網雷害分布圖。
圖4、華北地區2003年～2006年500千伏電網雷害分布圖。
權利要求
1、電網雷害分布確定方法，採用計算機對雷電自動監測數據進行處理，建立資料庫，以地理信息系統和資料庫為分析平台，採用格線法統計雷電參數，其特徵在於，針對地面物體的抵禦雷擊能力及其特徵，設定物體雷害的典型判據，再依據典型判據，採用計算機統計處理雷電資料，獲得相應物體的雷害分布；基本步驟如下：
（1）首先，將雷電自動監測數據按時間、位置、雷電流幅值與極性、主放電與次序放電的專題屬性數據通過計算機存入資料庫；採用有地理信息系統處理功能的電腦程式對數字地圖上的選定區域進行等面積格線劃分；由計算機對每個格線的數據資料進行統計；並且使雷電監測數據被賦於雷電專題屬性和地理屬性，自動劃分的每個格線具有與雷電監測數據相同坐標系地理屬性；採用格線法統計出的雷電參數關聯格線所在地域，設定每個格線為一個雷電統計單元；將資料庫中的專題數據按地理屬性調入對應網路作為統計樣本，統計每個格線出現雷電次數；
（2）根據電網絕緣結構，即電網電壓等級、輸電線路構架、地形因素，將能引起輸電線絕緣子串發生閃絡的危險雷電流幅值範圍值作為判據，統計每個格線中雷電的電流幅值屬性，剔除判據之外的數據，再將各格線的年雷電次數除以格線面積，獲得電網雷害分布；
（3）將已發生的輸電線路雷擊閃絡事件記錄按發生時間、位置坐標、閃絡類型、電壓等級的專題屬性數據存儲進計算機中的雷擊故障資料庫，將雷擊閃絡事件依次按照其專題屬性調入其對應電網雷害分布格線，以該格線為中心，對相連格線進行標記，獲得電網歷史雷害區域；
（4）將各電壓等級的電網反擊雷害分布、電網繞擊雷害分布和電網歷史雷害區域用計算機計算出相應地理分布圖層，再運用地理信息系統獲得電網電子雷害分布圖。
2、根據要利要求1所述的電網雷害分布確定方法，其特徵在於，根據電網絕緣結構，即電網電壓等級、輸電線路構架、地形因素，將能引起輸電線絕緣子串發生閃絡的危險雷電流幅值範圍值作為判據，此判據分為分反擊危險電流和繞擊危險電流判據，統計每個格線中雷電的電流幅值屬性，剔除判據之外的數據，獲得電網反擊雷害分布和電網繞擊雷害分布。
實施方式
如圖1、圖2、圖3、圖4所示，該發明以雷電定位系統自動監測數據為統計樣本，使用計算機處理程式，將自動監測數據輸入到具有地理信息系統（簡稱GIS）處理功能的計算機中，建立資料庫，以地理信息系統（簡稱GIS）和資料庫為分析平台，採用格線法統計雷電參數。針對地面物體的抵禦雷擊能力及其特徵，設定物體雷害的典型判據，再依據典型判據，採用計算機統計處理的雷電資料，結合各電壓等級電網繞擊特徵電流、反擊特徵電流，建立危險電流數據分析系統，採用格線法確定所需的數據和分析結果，對分析結果採用雷擊事故記錄進行比較、校驗和修正。獲得相應物體的雷害分布。其採用如下步驟：（1）將雷電自動監測數據按時間、位置、雷電流幅值與極性專題屬性數據通過計算機存入資料庫。採用有GIS處理功能的計算機，設定程式對目標對象——數字地圖上的選定區域進行等面積格線劃分，設定每個格線為一個雷電統計單元，將雷電資料庫的數據與地理上的對應格線進行位置比較，將雷電資料庫中的專題數據按地理屬性調入對應格線作為統計樣本，統計每個格線中的雷電數。（2）依據電網絕緣裕度設定繞擊危險電流範圍值、反擊危險電流範圍值（判據）。按照該判據進行幅值比較，將各格線中雷電流幅值在繞擊、反擊危險電流範圍值外的數據剔除，由余下的地閃次數除以相應格線面積分別得到電網繞擊雷害分布和電網反擊雷害分布。（3）同時，將電網歷史雷擊閃絡事故記錄按發生時間、雷擊點經緯度坐標、閃絡類型、電壓等級的專題屬性數據存儲進計算機，建立電網雷擊故障資料庫。將雷擊故障資料庫的數據與地理上的對應格線進行位置比較，依據地理信息的經緯度坐標將繞擊故障點、反擊故障點分別調入對應的地理格線中，以該格線為中心，對相連格線進行標記，獲得電網歷史雷害區域；（4）綜合繞擊電網雷害分布、反擊電網雷害分布以及歷史電網雷害分布，獲得電網雷害分布圖。
上述數據處理可以在一台計算機上進行處理，也可以在多台計算機上通過網路連線，進行數據交換處理。從而有效地為該發明獲得統計數據資源，做到統計數據資源共享。
圖2～圖4為該發明在華北地區數字地圖上的具體套用。
採用計算機錄入收集到的、含有地理屬性的華北地區雷電定位系統自動監測數據和電網雷擊事故記錄，使用電腦程式進行數據處理，將華北地區劃分成一系列大小為0.2°×0.2°的格線。其中：
1、危險電流範圍的選取（即判據的選定）
電網雷害的發生有其特有的特徵，受到電網絕緣水平的影響，只有在某些電流幅值段的地閃才能引起雷擊事故，幅值不同的雷電流其危害程度也不同。
確定危險電流範圍是確定電網雷害分布的前提條件，危險電流的選取是以電網中絕大部分輸電線路的耐雷性能利用2008年4月之前計算方法來確定的。不同電壓等級電網絕緣水平顯著不同，同一電壓等級電網抗繞擊、反擊性能顯著不同，且從套用角度來說，針對繞擊和反擊雷電防護措施不同，所以針對不同電壓等級提出不同的繞擊危險電流範圍和反擊危險電流範圍。同時對同一電壓等級來說，塔型不同、接地電阻不同、保護角不同時危險電流的範圍也不同，危險電流範圍選取應使絕大部分輸電線路的危險電流都落在所選危險電流範圍內。反擊危險電流的範圍（起止值）依據現行電力行業規程《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》（DL/T620-1997）求解，繞擊耐雷水平仍然依據該規程，繞擊最大臨界電流則依據電氣幾何模型確定。
（1）反擊危險電流的確定（即判據值的確定）
反擊危險電流範圍的確定採用現行電力行業規程《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》（DL/T620-1997）推薦的方法，按式（1）計算，其中各參數的含義分別為：u50％為絕緣子串50％擊穿電壓，k為導線和避雷線間的耦合係數，k0為導線和避雷線間的幾何耦合係數，β為桿塔分流係數，Ri為桿塔衝擊接地電阻，ha為橫擔對地高度，ht為桿塔對地高度，Lt為桿塔電感，hg為避雷線平均高度，hc為導線平均高度。
基於不同塔型、不同接地電阻的輸電線路反擊耐雷水平不同，在同一電壓等級下，以耐雷水平較低的輸電線路計算結果為反擊危險電流下限，以使絕大部分輸電線路的反擊危險電流都落在所選反擊危險電流範圍內。
對500千伏電網，假定絕緣子採用28片，U50％為2420千伏，檔距為450米；臨近桿塔接地電阻為15歐，計算結果見表1所示。從計算結果可見，工頻電壓對於耐雷水平的影響是非常大的，考慮工頻電壓的影響（這是與實際相符的）情況下，耐雷水平比不考慮工頻電壓時平均下降了18％。
因此，對於500千伏輸電線路可以取反擊危險電流下限值134千安（標準化線路要求滿足15歐），考慮更普遍的結果，取125千安。
同理，對220千伏輸電線路可以取反擊危險電流下限值75千安。
不考慮工頻電壓影響 | 接地電阻Q | 7 | 10 | 15 | 20 | 30 | 40 |
耐雷水平千安 | 244 | 204 | 164 | 137 | 106 | 88 | |
考慮工頻電壓影響 | 接地電阻2 | 7 | 10 | 15 | 20 | 30 | 40 |
耐雷水平千安 | 200 | 168 | 134 | 112 | 87 | 72 | |
下降的百分比 | 18% | 17.60% | 18.30% | 18.20% | 17.90% | 18.20% | |
（2）繞擊危險電流的確定（即判據的選定）
該發明中對繞擊危險電流範圍的確定方法綜合了規程法、電氣幾何模型法兩種方法，並結合了運行經驗，對繞擊危險電流的下限值採用現行電力行業規程《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》（DL/T620-1997）推薦的方法，由耐雷水平確定，用式（2）計算。對繞擊危險電流的上限用電氣幾何模型法計算，由輸電線路的參數確定臨界擊距，再由臨界擊距確定最大繞擊危險電流。
不同塔型、不同保護角的輸電線路繞擊耐雷水平不同，最大繞擊危險電流也不同，用上述方法計算多種桿塔類型（單回、雙回、酒杯塔、貓型塔等）的輸電線路繞擊危險電流起止值，綜合多個起止值，再進行適當放大，以使絕大部分輸電線路的繞擊危險電流都落在所選範圍內。範圍不能取得過大，否則不能體現該電壓等級繞擊危險電流的特徵，範圍也不能取得太小，太小會漏掉很多危險事件。
按照規程法：一般220千伏繞擊耐雷水平為14.0千安（對應U50％，為1400千伏）。
對表2中的兩種典型輸電線路進行繞擊臨界電流計算，結果見表3所示。對承德地區2006年6月份7次220千伏電網雷擊跳閘事故進行分析，包含4次繞擊事故，繞擊電流計算結果見表4。
綜合表3、表4，可見套用擊距法計算得到對於220千伏輸電線路發生繞擊的電流值一般在15-40千安左右。進一步對山西省電網和河北南網雷電繞擊調查統計，繞擊電流樣本大小一般也在本研究中的繞擊危險電流範圍內。
綜合考慮下將220千伏繞擊危險電流範圍取為[10千安，40千安]。
同理，將500千伏電網繞擊危險電流範圍取為[20千安，50千安]。
桿塔類型 | 檔距（米） | 導線掛線點對地高度（米） | 避雷線掛線點對地高度（米） | 導線掛線點對塔中心水平距離（米） | 避雷線掛線點對塔中心水平距離（米） | 絕緣子串長度（米） |
|---|---|---|---|---|---|---|
SZ2 | 358 | 30 | 40 | 13 | 8.5 | 2.34 |
SJ2 | 306 | 30.5 | 41.5 | 7.2 | 3.8 | 2.34 |
桿塔類型 | 地面傾角 | 擊距公示 | 對地擊距係數 | 最大擊距 | 最大繞擊電流 |
|---|---|---|---|---|---|
SZ2 | 0° | r=8.0I | 1 | 59.23 | 21.75 |
r=10.0I | 1 | 59.23 | 15.434 | ||
20° | r=8.0I | 1 | 108.54 | 55.234 | |
r=10.0I | 1 | 108.54 | 39.194 | ||
SJ2 | 0° | r=8.0I | 1 | 50.975 | 17.27 |
r=10.0I | 1 | 50.975 | 12.253 | ||
20° | r=8.0I | 1 | 85.53 | 38.287 | |
r=10.0I | 1 | 85.53 | 27.166 |
線路故障情況 | deg | m | 千安 | 判斷 | |
保護角 | 地面傾角 | 最大擊距 | 最大繞擊 雷電流 | ||
興河134#C相，20.3千安，繞擊 | 17.58 | 30 | 135.42 | 40.073 | 繞擊 |
興河132#C相，20.2千安，繞擊 | 13.24 | 30 | 90.172 | 25.682 | 繞擊 |
袁尊141#A、B相，57.1千安，反擊 | 9.7 | 30 | 61.2 | 15.81. | 反擊 |
承隆一回89#A.相，2千安,繞擊 | 16.5 | 30 | 98.512 | 28.69 | 繞擊 |
營周一回29#C 相，43.4千安，反擊 | 13.2 | 15 | 126.36 | 39.155 | 反擊 |
營遵112#C相， 199.5千安，反擊 | 15.469 | 15 | 77.21 | 21.153 | 反擊 |
周隆一回51#C 相，26.6千安，繞擊 | 13.24 | 30 | 92.861 | 26.64 | 繞擊 |
2、電網雷害分布圖的確定
首先應確定反擊電網雷害分布圖和繞擊電網雷害分布圖。以確定華北500千伏電網雷害分布圖為例說明，以上述危險電流起止值為判據，統計0.2°×0.2°格線下各格線的危險雷電密度值。統計各格線中幅值範圍在125千安及以上範圍內的地閃密度，得到華北500千伏電網反擊雷害分布圖，見圖2所示。圖形的顯示採用分區渲染方式分成四區，小細點填充區域表示該處幅值在125千安及以上的地閃密度值在[0，0.05）f/（平方千米·安）範圍內，小圓點填充區域表示該處幅值在125千安及以上的地閃密度值在[0.05，0.09）f/（平方千米·安）範圍內，斜線填充區域表示該處幅值在125千安及以上的地閃密度值在[0.09，0.11）f/（平方千米·安）範圍內，面填充區域表示該處幅值在125千安及以上的地閃密度值大於或等於0.11f/（平方千米·安）。
統計各格線中幅值範圍在[20千安，50千安]範圍內的地閃密度，得到華北500千伏電網繞擊雷害分布圖，見圖3所示。小細點填充區域表示該處幅值在[20，50]千安範圍內的地閃密度值在[0，0.83）f/（平方千米·安）範圍內，小圓點填充區域表示該處幅值在[20，50]千安範圍內的地閃密度值在[0.83，1.44）f/（平方千米·安）範圍內，斜線填充區域表示該處幅值在[20，50]千安範圍內的地閃密度值在[1.44，1.85）f/（平方千米·安）範圍內，面填充區域表示該處幅值在[20，50]千安範圍內的地閃密度值大於或等於1.85f/（平方千米·安）。
其次應確定歷史電網雷害分布區域。運行經驗是對所有措施和基礎理論的驗證和總結，是電網與自然相結合的具體體現，雷害分布在危險電流分布的基礎上首先應考慮的是運行經驗進行補充。以華北地區2000年～2007年四年的雷擊事故記錄為基礎建立具有地理屬性的雷擊故障資料庫。華北地區2000～2007年500千伏輸電線路共出現雷擊故障43次，其中反擊故障4次，繞擊故障39次。將故障點標註在華北地理電子地圖中，找到與其相交的格線，將該格線及其相鄰兩個格線挑選出來，形成歷史電網雷害分布區。
最後，綜合反擊電網雷害分布圖、繞擊電網雷害分布圖和歷史電網雷害分布區域確定電網雷害分布。將歷史電網雷害區域依據故障點的性質分成反擊故障點對應的區域和繞擊故障點對應的區域，將這兩個區域分別疊加在反擊電網雷害分布圖、繞擊電網雷害分布圖上。對兩圖中的歷史故障區域採用與該區域向上相鄰的屬性進行渲染。在綜合繞擊雷害分布圖和反擊雷害分布圖時，各格線以兩圖中對應位置密度值等級屬性較高的渲染屬性為基準進行渲染，形成電網雷害分布，如圖4所示。以小細點渲染區域發生繞擊、反擊雷害風險最低，該區域地閃幅值在繞擊危險範圍內的密度最小，在反擊危險範圍內的密度也最小；以圓點渲染區域發生繞擊、反擊雷害風險次之；以斜線填充區域發生繞擊、反擊雷害風險再次之；以面填充區域繞擊、反擊雷害風險相對最高。
榮譽表彰
2010年11月15日，《電網雷害分布確定方法》獲得第十二屆中國專利獎優秀獎。
