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SES-Shield的发行
SES-Shield
用于变电站和传输线防护直接雷闪的最优化分析设计的最有效软件包
介绍
全新SES-Shield软件包旨在提供最优化解决方案，对传输线路和变电站的直接雷闪防护。SES-Shield采用最新的电磁几何理论和滚球法，是SES公司新近发展的系列软件产品之一。
此软件包的主要目的是对屏蔽线和避雷针的最佳位置和布置形式进行优化计算，为电力线路、母线和设备的直击雷防护设计提供帮助。
雷电是世界上最为壮观的自然现象之一。自从两百多年前，富兰克林提出雷电是一种巨大的电流放电以来，很多研究者在云间电荷形成和雷闪现象方面开展了深入的研究。
自从富兰克林时代以来，人们普遍认为雷电是一种电荷移动，正、负极性电荷在云间或云地之间进行迁移。现阶段的研究重点是发生雷闪时，如何对人身和财产进行有效的保护。
目前可以采用多种原理对雷电防护进行分析，电磁几何模型是其中一种准确的计算模型。该模型基于如下理论：
• 雷击先导电荷和地面电场间存在联系。
• 雷击先导电荷和回击电流幅值间存在联系。
基于以上理论，可以建立先导和地面物体间的距离公式，称之为“雷闪距离”，其表达式为：
式中：
S 为雷闪距离（m）；
I 为回击电流幅值（kA）
根据电磁几何模型可知，在地面若干物体中，当某物体离梯级先导顶端距离首先达到S时，雷电就会击中该物体。为了保护不同的建筑物，电磁几何模型采用滚球法实现。
滚球法的原理很简单，其核心是通过滚动的球体包围梯形先导，球体半径为雷闪距离，圆心为先导顶端。因此，当雷击梯形先导按任意轨道向地面靠近时，滚动的球体在先导之前。
当梯级先导向地面靠近时，首先接触球体的物体就是雷击点。雷击先导经历如下过程：
Ø 如果在下降过程中，球体范围首先接触到屏蔽系统而未接触任何需保护的物体，则屏蔽成功。
Ø 如果在下降过程中，球体范围首先接触到需保护的物体，称为屏蔽失效。需对屏蔽系统进行修改，直到达到设计要求。
SES-Shield吸取了过去几十年来进行变电站直击雷防护的研究成果，采用滚球法进行保护系统的优化配置。同时该理论也适用于输电线路。
例如，SES-Shield特别适合对包含几条平行线的变电站进行直击雷防护分析。如图1－1显示了一个包括屏蔽线（红线）和避雷针（点a1,…, an 和c1,… cn）的变电站。事实上，SES-Shield可对屏蔽线或避雷针的防护效果进行分析。
图1－1：研究变电站图例
SES-SHIELD
软件包由一个主界面中的菜单栏、图表栏、数据输入区域、图形区域和报告区域构成。
在数据输入区域可以输入系统的电气和几何参数，以便很好的描述整个系统。
在图形区域可以显示相导线和保护系统的位置。
报告区域可以显示报告文件。
结果显示区域重组所有用于定义优化结构和保护系统位置的计算值和相关信息。计算后显示出的为一个子窗口。
分析部分的类型允许你在变电站河传输线分析之间进行选择。
图1－2：SES-Shield主界面
菜单栏
SES-Shield菜单栏包括三个主要菜单，主要功能分别为：
• 生成研究报告: 生成、载入和打印报告
• 定义高级计算参数
• 在线帮助
图1－3：SES－Shield的菜单栏
文件菜单
通过文件菜单可以建立新的分析过程，并可生成、载入和打印相关地报告。通过该菜单可完成以下功能：
• 开始新的分析
• 打开一个选中文件
• 生成报告，使用简单命名"SH_Report.txt"
• 生成特定文件名的报告
• 打印最新生成的报告
只有满足如下条件时，才能够使用生成和打印报告菜单：
• 在当前处理中，已完成相应地分析
• 载入已存在的报告
报告生成一个文本文件，在软件安装文件夹中。此文件可以使用集成在SES-Shield中的标准文本编辑器进行浏览。“打开…”菜单载入文件。当打开文件对话框出现时，文本文件(*.txt) 自动进行过滤。
图1－4：文件菜单图示
选择菜单
选项菜单提供如下三种选择：
• 工作语言选择：英语或法语
• 单位系统选择：公制或英制
• 高级图形选项设置
“语言”菜单用来选择工作语言，默认为英语。在当前语言选项前有一个选择标记。SES-Shield 通过读取English.txt得到英语界面，通过Francais.txt得到法语界面。这两个文件为结构化文件，必须遵循逻辑次序。如果使用者想定制SES-Shield的界面，必须遵守这种次序：
• 命名软件包
• 菜单栏的元素
• “中间值“区域的元素
• “必要值“区域的元素
• “变电站“窗口的元素
• “导体“窗口的元素
• “观测点“窗口的元素
• “高级选项“对话框中的元素
如果你想要定制SES-Shield的界面，遵守此次序非常重要。
单位系统菜单 用于定义系统单位。可以采用公制和英制这两种系统单位，被选择的单位前面有一个选择标记。当需要改变系统的单位时，使用者会被问到是否将所有数值的单位转换为新的单位。
高级选项菜单 打开对话框定义用于计算雷击距离、系统类型（交流或直流）以及电晕梯度系数。我们将在以后章节讨论这些参数。
图1－5：SES-Shield的选择菜单
帮助菜单
该菜单包括如下三部分：
• SES-Shield输入命令语法帮助
• 软件包联机帮助
• 从SES网站得到相关信息和帮助
命令菜单选项 提供命令模式下软件的使用帮助。为了便于对工程数据输入文件进行编辑和脚本，已将SES-Shield主要功能编入相关命令，通过这些命令，可以将特定数据保存在当前文件中。
通过内容菜单可以得到SES-Shield使用的相关帮助，同时通过该菜单可以更好的了解软件功能。
在SES网站存有大量的帮助信息，可以通过点击支持菜单来访问SES主页。
图1－6：SES-Shield的帮助菜单
变电站分析的输入数据
输入数据区域由以下三个窗口组成：
• 研究的变电站数据和参数
• 进行防护的相线特性
• 为了分析雷击变电站周围情况而设置的观测点坐标
SES-Shield计算的电气和几何参数包括：:
• 临界电流
• 雷闪距离
• 超高值
• 间距
变电站特性
该表包括如下输入数据：
• 变电站相间电压
• 相线的弧垂高度
• 杆塔支撑点的总线高度
变电站相间电压即为变电站相线电压的有效值，该值可用来计算绝缘子串承受电压的最高值和临界电流。
相线弧垂高度可用来设定变电站内相线档距中间的垂直位置，该值可用来计算电晕放电半径。
SES-shield将相线与屏蔽线或避雷针之间的垂直距离称为超高度。该值表示相线或总线与屏蔽线或避雷针之间的垂直间距。
图1－7：基于超高值距离的系统保护最优化位置
图1－8：变电站特性
变电站窗口包括图形区域显示需要定义的值。
图1－9：变电站窗口图示区域
高级选项定义用于系统保护的系统选项。
在实际中，可采用屏蔽线或避雷针作为雷电防护措施。如果采用屏蔽线作为防护措施，需定义屏蔽线保护宽度，即两根屏蔽线间距，同时该值也可用来计算超高度值。在SES-Shield中，默认的保护措施为屏蔽线。
采用避雷针防护模式时，需计算四根避雷针形成的长方形尺寸，可通过两根避雷针之间的宽度和深度来定义长方形尺寸。在防护模式改变时，每次均会显示一个合适的图例。
图1－10显示了防护线保护的类型。在这个情况下，避雷针所保护的范围无法使用。
图1－10：保护类型
导体参数
导线窗口用来定义相线几何特性，具体为：
• 绝缘子串长度
• 导线束数目
• 导线直径
• 导线间距
• 总线采用拄状绝缘子支撑时，绝缘子的冲击电压
在分析中，绝缘子的耐受电压是一个重要的参数，用来说明绝缘子上可承受的最高电压。在SES-Shield中, 该值可通过与绝缘子长度有关的经验公式或冲击电压（BIL）得到。在第一种情况下，必须指定绝缘子串长度。当采用拄型绝缘子支撑总线时，可通过指定绝缘子的冲击电压值来得到绝缘子的耐受电压。如图1－11图示选项。
电晕放电半径通常可以用一个等效的导体表示。然而，相线通常成束捆扎（分为两相、三相或四相导线），通过定位器来保持导线间距。当导线束超过一根导线时，为了计算等效电晕半径应尽可能的将导线束简化为一根等效的导线。因此，必须设定导线束内的导线数目、导线间距和导线直径等参数，也就是导线数目N，导线间距E和导线直径D。
注意如果导线数目为1，则导线间距E选项不可使用。
图1－11：导体特性的输入区域
观测点
SES-Shield的第三个和最后一个窗口是用于检测雷击变电站附近时，变电站的防护措施能否有效的对变电站设备进行防护。
在易遭受雷击的位置设置不同的观测点，以检测防护措施是否恰当。这些观测点被设置在离地面有一定高度的位置，同时离防护系统有一定的水平距离。
图1－12用BETA(b)表示观测点与防护系统的水平距离。
图1－12：水平间距的计算设置
SES-Shield 计算PHI (j)值并将BETA与PHI值进行比较：
Ø 如果 b < j ，则认为设备放置在坐标（BETA，PHI）处可以受到良好的防护。
Ø 否则，即b>j，则认为将设备放置在坐标（BETA，PHI）处不能受到有效的防护。
值可根据如下规则进行设置：
Ø 如设置点在防护区域内，则b值为负
Ø 如设置点在防护区域外，则b值为正
最后，给出不同观测点数目时的示意图。
.图1－13：雷击变电站附近时，为分析雷涌情况而设置的观测点
变电站分析的数据打印
计算不同的数值并在同一个窗口显示，该窗口可分为两个部分：
• 中间值
• 临界值
采用两个不可编辑的文本框作为显示窗口。当从文件菜单中选择新文件选项后，两个文本框的已有内容会自动清空。
在中间值显示区域显示进行临界值计算的有关数据，主要为：
• 绝缘子耐受电压（该值用来计算雷击电流）
• 导线束等效半径
• 电晕放电半径
• 波阻抗值，其为电晕放电半径和导线束等效半径的函数
图1－14：中间值
临界值区域显示如下结果：
• 决定雷闪距离的雷击电流
• 用来计算超高值和间距的雷闪距离
• 用来决定相线和屏蔽线或避雷针间垂直距离的超高度
• 屏蔽线或避雷针的安置高度
图1－15：临界值
SES Shield中变电站的雷电描述
为了快速的定制界面和得到计算时所需的参数，可选择多种方式。当在目录中选择雷闪距离后，会弹出雷闪距离选项对话框，需要的参数为：
• 为分析的变电站或输电线路命名
• 指定系统类型
• 选择雷闪距离计算公式
• 如果默认值不恰当，指定电晕放电梯度极限值
图1－16：雷电描述对话框
电晕放电梯度值E0对电晕放电半径计算有着显著的影响，该值可在其他参数选项中修改。大多数研究者推荐采用1500kV/m作为电晕放电梯度极限值。
在SES-shield中，设计者可选择雷闪距离的计算公式。可以采用三种计算公式，默认的为Mousa公式（IEEE标准推荐公式）。
为了区分不同的分析，建议通过变电站名字选项为变电站指定名字，该名字会出现在生成的报告和图形标题中。
分析报告
报告是SES-Shield 软件包的重要组成部分，在报告中将以下文件重新组合：
• 被保护建筑物的特性和相关的输入数据
• 中间值和输出结果
与每种危害计算值相关的结论也包含在此报告中。
图1－17：编辑分析报告以观测计算过程
报告文件组成
SES-Shield生成的报告由以下5部分组成：
• 标题
• 所研究变电站的特性
• 中间计算结果
• 设计保护系统
标题报告：本部分包括使用软件版本、危害评估分析名称（或研究对象名称）和分析时间。
所研究变电站特性：在此部分反映了用户使用的所有数值。因此，可以找到相间电压、不同高度相导体和所有导体的特性（导体数目、直径等…）。
中间结果：在计算中用到的所有值都会在此显示。这些数值被用来估算四种基本危害，可以分为两部分：直击到建筑物和非直击到建筑物。 因此，可以找到所有计算得到的收集面积和与这些面积对应的雷击频率。重要信息如电涌阻抗、临界电流和雷击距离等都显示在此标题中。
设计保护系统：系统保护的最优高度以及间距都显示在设计保护系统中。此部分也描述了保护类型（防护线或避雷针），以及显示两根防护线的距离和四根避雷针组成矩形的宽度和深度。
为每个点所赋的间距值都必须进行检查。这些点在“计算“窗口指定。b值由以下两部分中的一个确定：
• 设备放置在坐标（BETA，PHI）处可以受到良好的防护。
• 设备放置在坐标（BETA，PHI）处不能受到有效的防护。
变电站防护分析举例
如下是使用SES-Shield分析变电站的例子，变电站由平行屏蔽线制成的单开关器组成。保护系统的中性线选择为一系列位于每个屏蔽线边界的平行线（图1－18中红色虚线表示）。我们想要分析138kV, 230kV和500kV的三种电压情况下的屏蔽线宽度L。所研究的屏蔽线如图1－18和图1－19所示。
首先进行定义当雷闪在两条屏蔽线之间或由四根避雷针包含的顶部区域的保护系统最优位置的分析。
图1－18：所研究观测面俯视图
接下来分析当雷闪到变电站侧面时可能暴露在外部的设备。由间距BETA、节点B、侧面观测屏蔽线的不同高度H来表示。
图1－19：所研究屏蔽线侧面图
特征设置
如下表格显示了需要在SES-Shield中进行指定的值。表格中的每个部分表示软件中的一个窗口。
| 相间电压V（kV） |
500.00 |
230 |
138 |
| 相导线的弧垂值Hm（m） |
26.00 |
14.6 |
9.4 |
| 杆塔支撑点的母线高度Hw（m） |
27.00 |
15.6 |
10.4 |
| 屏蔽线宽度（m） |
32.00 |
13.5 |
9.14 |
| 母线是否由柱型绝缘子支撑 |
是 |
是 |
是 |
| 基本脉冲值（kV） |
1850 |
962 |
561 |
| 导体数目 |
4 |
1 |
1 |
| 导体直径D（mm） |
25.4 |
29.1 |
17.4 |
| 导体间距E（m） |
0.46 |
--- |
--- |
| 观测点数目 |
1 |
1 |
1 |
| 高度（m） |
27 |
15.6 |
10.4 |
| 间距（m） |
-1.70 |
-1.70 |
-1.70 |
表1－1：变电站特性值
分析结果
如下三个表格总结了变电站三种相间电压情况超高值和间距的分析结果。当按下“进程”按钮时，SES-Shield计算如下参量。
| 变电站相间电压(kV) |
500.00 |
230 |
138 |
| 绝缘子的耐受电压(kV) |
1850 |
962 |
561 |
| 导体束的等效半径(m) |
0.204 |
0.015 |
0.009 |
| 电晕半径 (m) |
0.4311 [1] |
0.1159 |
0.066 |
| 导体的电涌阻抗 (ohms) |
309.12 |
388.79 |
395.04 |
| 雷电流 (kA) |
10.26 |
4.38 |
2.5 |
| 雷闪距离 (m) |
32.7 |
18.8 |
13.05 |
表1－2：中间计算值
表1－2显示了雷闪距离随变电站的额定电压增加而增加。
| 变电站相间电压(kV) |
500.00 |
230 |
138 |
| 超高值 (m) |
4.18 |
1.25 |
0.82 |
| 保护系统的最佳高度 (m) |
31.18 |
16.85 |
11.22 |
表1－3：三种电压情况的超高值和间距分析
对于打到变电站侧面雷闪的防护，最大允许值为正。这意味着已防护对象允许在屏蔽线外部放置。对于所有在防护线内部（负值）的线路，所有情况下都存在对顶部母线的有效防护。
图1－20图形显示了系统保护位置的超高值计算。
图1－20：保护系统的显示位置
SES-Shield的传输线分析
输电线路遭受以下两方面的过电压：
• 系统内部过电压（如暂态过电压、开关电涌等）。
• 系统外部过电压。对于输电线路而言，如雷击、太阳耀斑、地磁感应电流和核电磁脉冲等。
本部分主要介绍雷击过电压。
输电线路路线选择受到很多因素的影响：
• 从电力系统角度出发，考虑输电线路的起始点
• 从经济角度出发，为了减少建设成本和电力损失，线路应尽可能的短
• 其它环境和生态要求决定线路的建设位置和建设方式
尽管受到以上因素的约束，输电线路设计者还是可以利用多种方法提高线路性能，其中最为有效和可靠的方法就是尽可能经过低雷暴地区。当两条待选路线具有相近的土壤特性时，为了降低运行损耗，应选择低雷暴地区。经过详细地测绘确定，设计者可以选择一个雷暴最少的线路。通过雷电定位系统和雷电计数器可以确定该地区的地面落雷密度（GFD）。
输电线路经过何种区域取决于年平均雷暴日，或通常所称的雷暴强度。年平均雷暴日指的是该地区平均每年发生的雷暴天数，在一天（24小时）内发生雷暴即算为一个雷暴日。雷电击中大地或输电线路的次数与该地区年平均雷暴日成正比。近几十年来，人们普遍认为线路的闪络次数和年平均雷暴日有关。
雷电绕击现象是另外一种雷击机理，也会影响到输电线路性能。当雷闪绕过屏蔽线而直接击中相导线时，就发生绕击。通过SES-Shield优化计算可以减少或避免发生绕击。SES-Shield通过优化计算，得到屏蔽线的最佳安装位置，从而可有效的保护相线。同时SES- Shield也可计算引起绕击或绕击闪络的最小和最大雷电流。
图1－21显示了一个简单的模型介绍绕击机理。在地面上方有一根相线和一根屏蔽线，在线路附近，有三个相同幅值的雷电流。当雷闪与地面和导线的距离达到临界距离S时，雷击先导受雷闪距离S内的物体影响，雷闪就会击中导线。
图1－21：不完全屏蔽-宽度XS无屏蔽– 雷闪 B击中相导线
在图1－21中，雷闪“A”处于OP弧线上，与相线PC的距离超过S，所以“A”将击中屏蔽线。因QR线距离相线太远，雷闪“C”将会经过距离bS击中地面。b为大于1的系数，用来计算击中地面时的雷闪距离。由于地面和线路对雷闪的吸引作用不同，故雷击地面时的雷闪距离与雷击线路时的雷闪距离完全不同。
雷闪“B”到达弧线PQ后，与屏蔽线和地面的距离超过其雷闪距离，故只会击中相线PC。对垂直雷电而言，可用宽度Xs来表示无屏蔽宽度，在这个宽度内，雷闪不会击中地面而会直接击中相线。
为了达到最佳的防护效果，可以保持相线不动，水平移动屏蔽线直到无屏蔽宽度Xs变为0。如果将相线的坐标XP视为是零点，则屏蔽线的坐标XG（或偏离量）为：
此时，屏蔽角为：
注意：当屏蔽角为正时，因屏蔽线位于相线左边，故XG为负。
图1－22：完全屏蔽-无屏蔽宽度 Xs 为零
传输线分析的数据输入区域
数据输入区域由以下三个主要窗口组成：
• 输电线路的档距和弧垂
• 输电线路的各种数据和参数
• 屏蔽线特性
档距和弧垂
弧垂和档距窗口包括以下两个表，其中要指定和设定的值为：
• 档 距
• 弧 垂
图1－23：弧垂值
档距指的是输电线路两个临近杆塔之间的平均距离。该值用来计算雷电流从一个杆塔传到下一个杆塔所需的时间，以计算杆塔上的波反射。
在线路中，将两个临近杆塔的绝缘子串顶部连成一条直线，该直线与相线间的最大垂直距离称为弧垂。该值可用来计算输电线路的平均高度。
传输线特性
该窗口（如图1－24）用来指定输电线路的电气和几何特性，主要为：
• 导线束数目
• 导线直径
• 导线间距
• 导线说明
进行输电线路分析时需考虑电晕放电半径，故SES-Shield首先计算导线束的等效半径，然后计算电晕放电半径。因此，需确定导线束数目、导线间距和导线直径，也就是导线数目N、导线间距E和导线直径D。
在导线说明中可以指定以下信息：
- 相导线束中心位置的X坐标和导线束高度
- 线路绝缘子串的长度
- 线路电压
表格的最后一部分为选择框，用来判断相线是否受到屏蔽线保护。
图1－24中给出了该表图例，其中一行对应一相导线。
SES-Shield根据相线的平均高度来决定屏蔽线的水平位置。根据平均高度和X轴坐标，SES-Shield计算屏蔽线和相线之间角度以决定最佳的屏蔽效果。如果实际角度和计算所需角度的差为正，则SES- Shield可确定无屏蔽宽度。
同理，在变电站分析的导线参数窗口中，为了计算耐受电压需得到绝缘子串长度。然后，利用耐受电压值进行临界电流计算。
图1－24：输电线路相导线特性
屏蔽线特性
屏蔽线可以进行雷击防护并将绕击概率控制在可接受的范围内。通过点击输电线路目录可以快速的进入屏蔽线特性界面。需指定的参数有：
• 屏蔽线直径
• 屏蔽线弧垂
• 屏蔽线数目
• 屏蔽线的X、Y轴坐标
在进行计算屏蔽线波阻抗计算时需得到屏蔽线直径值。
SES-Shield可计算相线和屏蔽线间的屏蔽角。为了计算相线和屏蔽线间的屏蔽角和屏蔽线的水平位置，SES- Shield将支撑点的高度减去三分之二的弧垂值作为平均高度。所以，必须获得屏蔽线的弧垂值。
通过屏蔽线数目选项最多可以设置三根屏蔽线。选定了屏蔽线后，可以在坐标轴区域设置X、Y轴坐标值。
图1－25为指定前述数据的窗口。
图1－25：设定屏蔽线参数
传输线分析报告
SES-Shield计算不同的数值并在同一个窗口显示，该窗口可分为两个部分：
• 中间值
• 临界值
中间值区域用来显示计算临界值所需的数值，主要包括以下内容：
• 地面落雷密度
• 线路闪络次数
• Beta系数，即beta因素
Beta系数用来说明雷闪击中水平地面的可能性。对于地面上线路而言，其可能性与雷击地面情况完全不同。
图1－26：进行输电线路分析时的中间值
如未选择反击分析选项，临界值区域显示如下数据：
• 无屏蔽宽度
• 最大雷闪距离
• 最大电流
• 最大或最小雷电流的出现概率
图1－27：临界值
地面雷落密度
根据分析结果，可以通过指定年平均雷暴日或地面落雷密度来描述雷电活动水平。为简化起见，可假定指定地区或输电线路的雷闪次数与该地区年平均雷暴日成正比。
图1－28：地面落雷密度或年平均雷暴日描述
分析报告
报告是SES-Shield 软件包的重要组成部分，如图1－29，在报告中将以下文件重新组合：
• 被保护建筑物的特性和相关的输入数据
• 中间值和临界计算结果
• 所分析传输线的有效防护状态
图1－29：编辑分析报告以获得计算结果
报告文件内容
SES-Shield所生成的报告由五部分组成：
• 标题
• 相线和屏蔽线特性
• 中间计算值
• 屏蔽线位置和最佳屏蔽角分析
• 屏蔽失效率
报告标题：包括软件版本、分析对象名和分析日期等内容。
相线和屏蔽线特性：列出用户所有的指定数值。在本报告中，可以找到相线和屏蔽线的数目、高度和位置等内容。
中间计算值：列出了计算中用到的所有数值。通过这些数据可以得到裸露导线的雷闪距离，同时可以得到输电线路平均高度、电晕放电半径、耐受电压、波阻抗和标称电流、无屏蔽宽度和地面落雷密度等数据。
屏蔽线位置和最佳屏蔽角分析：在分析界面显示了最佳的屏蔽线位置和屏蔽角。此部分还显示了每个导体的中间计算值如耐受电压、电涌阻抗、额定雷电流和雷闪距离等。
屏蔽失效率：根据电磁理论，只有在Imin到 Imax的雷电流范围可能导致屏蔽失效。雷闪距离和雷电流的最大值都在屏蔽失效率计算窗口显示。最小电流、最大电流和裸露宽度决定了每年中100公里以内的雷闪次数。雷闪次数为最大和最小电流闪落发生率的函数。
