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developmentandapplicationoflightningspottingsystem

abstracttodistinguishwhetherthelinestruckbylightningandspottheexactpolebeingstruck,alightningspottingsystemincluding9monitoringstationscoveringwholehunanprovincehasbeenestablished.thispaperdescribestheprinciple,systemconfiguration,characteristicsandpracticalapplicationofthislightningspottingsystemandsu，ggeststhewaysofpopularization.

keywordslightningspottingsystem

湖南是一個(gè)多雷省份，通常年雷暴日數(shù)在50d以上，雷擊是線路故障的主要原因。出于安全生產(chǎn)的需要，多年來對(duì)雷電參數(shù)的觀測(cè)，尤其80年代對(duì)地落雷密度測(cè)量，做了大量工作，得出湖南對(duì)地落雷密度［1］r＝0.063次/km2。這一觀測(cè)結(jié)果遠(yuǎn)比原規(guī)程r＝0.015大3倍，與1997年新修訂的規(guī)程r＝0.07很接近。90年代，隨著電力工業(yè)的大發(fā)展，投運(yùn)的高壓線路迅速增長(zhǎng)，線路雷擊事故增多，故障點(diǎn)的查找工作量很大，以致線路雷擊故障查找率對(duì)于110～220kv等級(jí)只有50%左右。另一方面，是把線路的其它事故無根據(jù)地歸結(jié)于雷擊。在這種形勢(shì)下，鑒別線路是否落雷以及精確確定落雷桿號(hào)就顯得很迫切。正是基于這一生產(chǎn)需要，1993年提出開發(fā)湖南的雷電定位系統(tǒng)。

經(jīng)過5a調(diào)查研究，開發(fā)了全部硬件和軟件，建成了包含9個(gè)探測(cè)站覆蓋全省的湖南雷電定位系統(tǒng)，以它的良好定位精度，從1996年開始，在指導(dǎo)全省5000多km220kv及以上超高壓線路的雷擊故障點(diǎn)查找上，發(fā)揮了重要作用。

本文以這個(gè)系統(tǒng)為背景，介紹雷電定位系統(tǒng)的構(gòu)成、特性、應(yīng)用，以及今后推廣中的一些問題。

1雷擊故障定位的原理

雷電放電會(huì)產(chǎn)生光、聲音和電磁波?，F(xiàn)在實(shí)用化的雷擊故障定位大都測(cè)定放電輻射的電磁波。為此必須建立相應(yīng)的輻射電磁場(chǎng)計(jì)算模型，區(qū)分云內(nèi)放電與對(duì)地落雷，采用精確的雷擊點(diǎn)的定位交會(huì)方法。

1.1回?fù)糨椛潆姶艌?chǎng)計(jì)算模型

大量實(shí)際觀測(cè)弄清了對(duì)地落雷的形態(tài)［2］。落雷通常開始于雷云中高靜電區(qū)的放電，然后從云向地面以先導(dǎo)形式向下進(jìn)展，先導(dǎo)到達(dá)地面或高聳物體后，沿著先導(dǎo)路徑向上產(chǎn)生回?fù)簟１M管先導(dǎo)發(fā)展具有隨意性，但在接近地面時(shí)，其通道在幾百米的范圍內(nèi)是幾乎垂直于地面的。落雷回?fù)綦娏鳛榉荡蟆⑵鹗疾糠侄盖偷拇箅娏髅}沖，并以近似于光速沿著先導(dǎo)放電路徑從大地向云中發(fā)展，輻射出很強(qiáng)的電磁波。利用圖1的計(jì)算模型可以確定回?fù)綦娏髟诘孛嫔先我稽c(diǎn)產(chǎn)生的電磁場(chǎng)強(qiáng)度e(r,φ，θ，t)和b(r,φ，θ，t)。

圖1回?fù)舻碾姶艌?chǎng)計(jì)算模型

1.2對(duì)地落雷波形判據(jù)

云內(nèi)放電同樣輻射電磁波，因此區(qū)分對(duì)地落雷或云內(nèi)閃電是極為重要的。大量實(shí)測(cè)表明，對(duì)地落雷與云內(nèi)閃電的典型波形如圖2所示。

現(xiàn)在實(shí)用化的雷電定位系統(tǒng)都采用6個(gè)波形特征條件鑒別對(duì)地落雷。湖南系統(tǒng)采用的判據(jù)值如下：

閥值電壓：100mv預(yù)脈沖ptk/up≤0.25

上升時(shí)間t1≤20μs次峰up2≤1.20

持續(xù)時(shí)間t2≥40μs過沖up3/up≤1.30

圖2典型云閃波形

1.3雷擊點(diǎn)定位的交會(huì)方法

雷擊點(diǎn)的位置是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)?，F(xiàn)有確定落雷地點(diǎn)有2種方法：定向定位(df)和時(shí)差定位(toa)。近幾年發(fā)展了綜合利用df和toa的復(fù)合定位方法。

1.3.1定向定位

定向定位要利用2個(gè)及以上探測(cè)站——正交環(huán)形磁場(chǎng)天線同時(shí)測(cè)定落雷點(diǎn)與探測(cè)站連線的方位角。2個(gè)探測(cè)站獲得2個(gè)方位角在球面用三角交會(huì)確定落雷點(diǎn)。由于利用磁場(chǎng)天線，往往叫磁場(chǎng)定向定位(mdf)。為提高定位精度，采用了3個(gè)以上探測(cè)站和優(yōu)化算法，即使式(1)的x2值為最小：

(1)

式中，θi為第i站測(cè)的方位角；θi0是第i站與優(yōu)化落雷點(diǎn)連線的方位角。

1.3.2時(shí)差定位

時(shí)差定位是通過監(jiān)測(cè)落雷點(diǎn)電磁波信號(hào)峰值到達(dá)探測(cè)站相對(duì)時(shí)間差，在球面上建立雙曲線3個(gè)探測(cè)站能產(chǎn)生2條雙曲線，其交點(diǎn)即落雷點(diǎn)位置(見圖3)。由于2條雙曲線可能有2個(gè)相交點(diǎn)，其中一個(gè)是偽點(diǎn)，因此toa中要有4個(gè)探測(cè)站，使得定位解是唯一的。toa中既可以利用磁場(chǎng)信號(hào)(mtoa)，也可以采用電場(chǎng)信號(hào)(etoa)。由于toa中幾乎不存在場(chǎng)地誤差，利用gps技術(shù)把各探測(cè)站的時(shí)間同步到納秒級(jí)，因此toa是定位最精確的方法。

圖3時(shí)差定位求雷擊點(diǎn)原理

1.3.3時(shí)差磁方向聯(lián)合定位

盡管toa是精度最高的落雷定位方法，但當(dāng)收到落雷電磁信號(hào)的有效探測(cè)站數(shù)n少于3個(gè)時(shí)，它卻無能為力；即使有效探測(cè)站n＝3，在一定情況下，2條雙曲線呈漸進(jìn)線，這時(shí)定位精度極低。利用時(shí)差技術(shù)和磁方向技術(shù)的聯(lián)合定位(tdd)［3，4］就可以在n＝3甚至n＝2的情況下，獲得比mdf更精確的定位，其原理見圖4。

圖4示2個(gè)探測(cè)站的交會(huì)情況，2站時(shí)差確立一條雙曲線。任一個(gè)站的磁方向給出一個(gè)磁場(chǎng)方向(如θ1)，交點(diǎn)決定落雷點(diǎn)p。聯(lián)合定位擴(kuò)大精確定位的覆蓋范圍，無疑是近年來開發(fā)應(yīng)用開發(fā)的新技術(shù)。

圖4聯(lián)合定位原理

2湖南雷電定位系統(tǒng)構(gòu)成與特性

2.1基本配置

湖南雷電定位系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱系統(tǒng))包括9個(gè)探測(cè)站、一個(gè)中心站、多個(gè)用戶終端和通信網(wǎng)絡(luò)，其中通信網(wǎng)絡(luò)是電力系統(tǒng)的公用微波網(wǎng)絡(luò)。

系統(tǒng)能對(duì)全省范圍內(nèi)的落雷信息實(shí)時(shí)接收、處理、顯示、發(fā)送和儲(chǔ)存。系統(tǒng)能顯示落雷的位置、時(shí)間、強(qiáng)度、極性，并且能顯示雷暴的運(yùn)動(dòng)情況；建立了全省輸電線路坐標(biāo)庫，能在線路雷擊跳閘后極短時(shí)間內(nèi)查出線路受到雷擊的故障桿號(hào)，指導(dǎo)各線路所的查線工作。

2.2探測(cè)站

9個(gè)探測(cè)站分設(shè)在長(zhǎng)沙、常德、鳳灘、婁底、冷水灘、郴州、衡陽、懷化和岳陽，既考慮了覆蓋全省，又重點(diǎn)照顧超高壓線路的路徑分布。探測(cè)站通過電場(chǎng)天線、正交磁場(chǎng)天線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)落雷電磁場(chǎng)信號(hào)，經(jīng)放大、峰值取樣、壓縮等處理，把落雷時(shí)間、強(qiáng)度、極性、回?fù)魯?shù)、方向角、峰值時(shí)間等信息，通過調(diào)制解調(diào)器發(fā)至中心站。特別要指出，信號(hào)峰點(diǎn)的取樣極為重要，否則要么近處落雷、強(qiáng)雷因飽和而丟失，要么對(duì)遠(yuǎn)方落雷、小雷因信號(hào)小而丟失。本系統(tǒng)成功采用非線性壓縮技術(shù)，提高探測(cè)裝置的動(dòng)態(tài)范圍，保證在1～300ka有足夠可*性。

2.3中心站

中心站將探測(cè)站傳送來的落雷信息，根據(jù)時(shí)間一致原則進(jìn)行組合，然后按toa(etoa，mtoa)、mdf、tdd等交會(huì)方式進(jìn)行定位計(jì)算，并把數(shù)據(jù)傳至用戶終端和存入數(shù)據(jù)庫。平時(shí)中心站定時(shí)對(duì)全部探測(cè)站進(jìn)行性能測(cè)試和分析，它是系統(tǒng)的核心。其雷電信息處理流程見圖5。

圖5中心站雷電數(shù)據(jù)處理框圖

2.4用戶終端

用戶終端接受中心站傳遞來的落雷信息，包括落雷時(shí)間、位置、強(qiáng)度、極性、顯示在地理位置上，以方便用戶對(duì)落雷進(jìn)行查詢、分析、統(tǒng)計(jì)。湖南系統(tǒng)有近程終端和遠(yuǎn)程終端，后者包括有調(diào)度通信局的調(diào)度室以及各電業(yè)局。主要技術(shù)性能如下：

定位誤差：基線區(qū)內(nèi)≤1km

基線區(qū)外≥3km

探測(cè)效率：正常范圍內(nèi)云地閃＞90%

誤信號(hào)率＜1%

總探測(cè)效率＞85%

雷電強(qiáng)度誤差：士20%(1～300ka范圍)

計(jì)時(shí)精度：＜0.1μs

探測(cè)站工作環(huán)境溫度：-15～75℃

3應(yīng)用

湖南系統(tǒng)是先投運(yùn)df，然后投運(yùn)toa。作為一個(gè)實(shí)用化的系統(tǒng)已有3a的良好運(yùn)行實(shí)績(jī)。在雷電數(shù)據(jù)積累、統(tǒng)計(jì)，以及線路雷擊點(diǎn)定位上取得較好的應(yīng)用效果。

3.1雷電數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)應(yīng)用

根據(jù)電力系統(tǒng)防雷工作需要，進(jìn)行了雷電日、雷電小時(shí)、落雷次數(shù)、落雷密度、雷電流強(qiáng)度、極性等統(tǒng)計(jì)分析。全年128881個(gè)落雷中，79.4%的雷電流分布在10～40ka范圍，平均值為31.30ka，超過100ka雷電流僅為0.92%。綜合1996、1997年測(cè)量的204465個(gè)落雷得到的全省雷電流概率分布與新規(guī)程［5］推薦的分布相比，我省小電流的落雷次數(shù)多，而大電流的落雷概率小。

3.2高壓線路雷擊點(diǎn)定位及查找

3.2.1建立輸電線路桿塔坐標(biāo)數(shù)據(jù)庫

建立輸電線路桿塔經(jīng)緯度坐標(biāo)數(shù)據(jù)庫是線路雷擊點(diǎn)定位的基礎(chǔ)工作之一。采用gps定位儀對(duì)全省220kv及以上線路5000多km逐基測(cè)量其經(jīng)緯度坐標(biāo)，通過數(shù)據(jù)校驗(yàn)、訂正、輸入數(shù)據(jù)庫。根據(jù)查找需要，數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)可以單條、多條或全部迭加在地區(qū)地圖上。

3.2.2線路雷擊故障點(diǎn)查找方式

當(dāng)線路雷擊跳閘后，調(diào)度部門或線路維護(hù)單位提供線路名稱、跳閘時(shí)間，在中心站啟動(dòng)雷擊故障查詢系統(tǒng)。根據(jù)線路名稱、查找時(shí)刻、時(shí)間間隔、線路兩側(cè)查詢寬度，查詢系統(tǒng)自動(dòng)彈出該線路在該時(shí)間段、線路查詢寬度內(nèi)所有落雷顯示在地圖上，并給出每個(gè)落雷的時(shí)間、強(qiáng)度、位置與線路距離最近的桿號(hào)和距離。

當(dāng)線路開關(guān)跳閘時(shí)間不準(zhǔn)確，落雷次數(shù)多且分布散時(shí)，則需要根據(jù)雷電流大小，落雷時(shí)刻、落雷點(diǎn)與線路的距離等因素，最后由技術(shù)人員確定某個(gè)桿塔或某幾個(gè)桿塔作為重點(diǎn)查線桿號(hào)。

3.2.3指導(dǎo)查線的實(shí)際成效

湖南雷電定位系統(tǒng)用于指導(dǎo)查線始于1996年7月，1996～1997年共指導(dǎo)查線13次列于表1。查出故障點(diǎn)后，在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)誤差進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，誤差在1km的占50%以上，最大誤差在3km。1998年3～6月共指導(dǎo)查線10次，列于表2。線路坐標(biāo)已建庫，所以中心站直接通知故障桿號(hào)，可以看到實(shí)際故障桿號(hào)與雷電定位通知桿號(hào)相差不超過2的為7次，占70%，最大相差8個(gè)桿號(hào)，已基本滿足電力行業(yè)的要求，大大減輕了線路人員的查線工作量，縮短了線路故障處理時(shí)間。

4推廣應(yīng)用的2個(gè)問題

4.1實(shí)際定位精度

湖南雷電定位系統(tǒng)通過1996～1998年運(yùn)行，表明其硬件和軟件都達(dá)到實(shí)用化的要求，在輸電線雷擊故障點(diǎn)定位上，其誤差也達(dá)到了國外實(shí)際應(yīng)用的先進(jìn)水平，盡管理論誤差可達(dá)500m，可是根據(jù)19，96年發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)，日本、美國及英國的系統(tǒng)實(shí)際定位精度最近才達(dá)到1km［6，7］，其中英國定位精度3km，可以說由于gps已把各探測(cè)站的時(shí)間同步達(dá)到納秒級(jí)水平。因此，toa技術(shù)的成功采用，使我國雷電定位系統(tǒng)在實(shí)際定位精度和國外已在同一水平上，基本滿足電力生產(chǎn)的需要。當(dāng)然今后加強(qiáng)誤差修正研究，改善交匯方法，不斷提高落雷的實(shí)際定位精度仍是必需的。

表11996～1997年220kv線路雷擊點(diǎn)定位誤差

日期時(shí)間線路名稱雷擊桿號(hào)實(shí)際定位誤差/km

1996?07?0916：55柘泉線ⅰp2652.73

1996?08?1817：11金豹線p1180.68

1996?09?1319：35東城線p50.82

1997?04?0222：00民響線p1821.90

1997?04?146：48云集線p1042.97

1997?04?1915：32攝茶線p141.45

1997?05?123：35柘泉線ⅰp302.50

1997?07?1220：40鳳毛線p1170.80

1997?07?239：03榔迎線p70.21

1997?07?2614：33柘泉線ⅰp382.79

1997?09?0115：21鳳德線p291.38

1997?09?022：21酃白線p1630.50

1997?10?145：25柘泉線ⅱp3120.80

表21998年雷電定位系統(tǒng)指導(dǎo)查線情況

日期時(shí)間線路名稱雷擊桿號(hào)實(shí)際桿號(hào)

1998?04?265：14五民線p379p377

1998?03?088：20鳳毛線p63p62

1998?03?232：14巴樹線p140p140

1998?04?112：31柘德線p127p133

1998?04?113：12鳳德線p144p144

1998?04?113：47鳳毛線p167p165

1998?04?1114：00岳新線ⅰp66p64

1998?04?1115：25柘泉線ⅱp148p148

1998?06?136：45云集線p128p119

1998?06?182：56柘泉線ⅰp163p166

4.2加速雷電定位系統(tǒng)的推廣應(yīng)用

我國雷電定位系統(tǒng)的開發(fā)單位已有多家，基本上都達(dá)到實(shí)際應(yīng)用水平，因此加速全國雷電定位系統(tǒng)的推廣應(yīng)用是當(dāng)務(wù)之急。國外推廣應(yīng)用有2種模式：一是統(tǒng)一國家雷電探測(cè)網(wǎng)，如美國的nldn，起初是紐約州立大學(xué)根據(jù)與epri簽定的合同開發(fā)的，后由全美全球氣象公司改進(jìn)并投運(yùn)，用105個(gè)探測(cè)站覆蓋美國，包括各電力公司在內(nèi)的300多個(gè)用戶向網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)使用［3］；二是日本模式，日本7家電力公司各自建立覆蓋供電范圍的區(qū)域網(wǎng)，北海道電力公司、東北電力公司網(wǎng)的探測(cè)站均為7個(gè)，而關(guān)西電力公司只用了3個(gè)探測(cè)站，至今尚無他們是否聯(lián)網(wǎng)成為整個(gè)日本統(tǒng)一雷電定位網(wǎng)的報(bào)道［6］。綜上所述，推廣應(yīng)用走日本模式比較適合我國國情，所不同的是有的以省電力公司建網(wǎng)，如湖南、山東、廣東，有的以電力集團(tuán)公司建網(wǎng)，如華北、華東電網(wǎng)，由于國內(nèi)雷電定位開發(fā)單位采用的具體技術(shù)還是有些差異，因此，各區(qū)域網(wǎng)的互聯(lián)在技術(shù)上還是有不少工作要做，關(guān)鍵是各區(qū)域網(wǎng)要建好、用好。

5結(jié)論

(1)湖南雷電定位系統(tǒng)采用了先進(jìn)的gps時(shí)間和時(shí)差原理，成功地開發(fā)了電場(chǎng)時(shí)差，磁場(chǎng)時(shí)差定位系統(tǒng)，并開發(fā)了磁場(chǎng)方向與時(shí)差聯(lián)合定位方式。

(2)3a多運(yùn)行表明，系統(tǒng)的抗干擾能力較強(qiáng)，穩(wěn)定性好，能滿足湖南高溫、多雨、強(qiáng)雷暴環(huán)境條件的要求。

(3)探測(cè)站布站合理，基本覆蓋湖南全省，雷電探測(cè)效率達(dá)85%以上，理論定位誤差全省大部分地區(qū)在500m以內(nèi)，線路雷擊故障點(diǎn)查找實(shí)際誤差為1km，最大誤差為3km，與國外實(shí)際定位誤差水平相同。

(4)我國雷電定位系統(tǒng)在硬件、軟件上均達(dá)到實(shí)用化階段，各省和集團(tuán)電力公司建立覆蓋自己范圍的雷電定位系統(tǒng)既具備條件，又是當(dāng)務(wù)之急。

作者單位:周延齡黎利佳湖南電力試驗(yàn)研究所

蘇貽泰中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心

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