雷电定位系统的原理与应用研究

周延龄　黎利佳　苏贻泰
【摘要】　为鉴别线路是否落雷及确定落雷杆号，湖南省建成了包含9个探测站覆盖全省的雷电定位系统。文中阐述了雷电定位的原理、系统构成、特性及应用实践，并就今后推广应用问题提出建议。
【关键词】　雷电　定位系统

Development and Application of Lightning Spotting System

Abstract　To distinguish whether the line struck by lightning and spot the exact pole being struck, a lightning spotting system including 9 monitoring stations covering whole Hunan Province has been established. This paper describes the principle, system configuration, characteristics and practical application of this lightning spotting system and suggests the ways of popularization.
Key words　lightning　spottingsystem

　　湖南是一个多雷省份，通常年雷暴日数在50 d以上，雷击是线路故障的主要原因。出于安全生产的需要，多年来对雷电参数的观测，尤其80年代对地落雷密度测量，做了大量工作，得出湖南对地落雷密度［1］r＝0.063次/km2。这一观测结果远比原规程r＝0.015大3倍，与1997年新修订的规程r＝0.07很接近。90年代，随着电力工业的大发展，投运的高压线路迅速增长，线路雷击事故增多　，故障点的查找工作量很大，以致线路雷击故障查找率对于110～220 kV等级只有50%左右。另一方面，是把线路的其它事故无根据地归结于雷击。在这种形势下，鉴别线路是否落雷以及精确确定落雷杆号就显得很迫切。正是基于这一生产需要，1993年提出开发湖南的雷电定位系统。　
　　经过5 a调查研究，开发了全部硬件和软件，建成了包含9个探测站覆盖全省的湖南雷电定位系统，以它的良好定位精度，从1996年开始，在指导全省5 000多km 220 kV及以上超高压线路的雷击故障点查找上，发挥了重要作用。
　　本文以这个系统为背景，介绍雷电定位系统的构成、特性、应用，以及今后推广中的一些问题。

1　雷击故障定位的原理

　　雷电放电会产生光、声音和电磁波。现在实用化的雷击故障定位大都测定放电辐射的电磁波。为此必须建立相应的辐射电磁场计算模型，区分云内放电与对地落雷，采用精确的雷击点的定位交会方法。
1.1　回击辐射电磁场计算模型
　　大量实际观测弄清了对地落雷的形态［2］。落雷通常开始于雷云中高静电区的放电，然后从云向地面以先导形式向下进展，先导到达地面或高耸物体后，沿着先导路径向上产生回击。尽管先导发展具有随意性，但在接近地面时，其通道在几百米的范围内是几乎垂直于地面的。落雷回击电流为幅值大、起始部分陡峭的大电流脉冲，并以近似于光速沿着先导放电路径从大地向云中发展，辐射出很强的电磁波。利用图1的计算模型可以确定回击电流在地面上任一点产生的电磁场强度E(r,φ，θ，t)和B(r,φ，θ，t)。

图1　回击的电磁场计算模型

1.2　对地落雷波形判据
　　云内放电同样辐射电磁波，因此区分对地落雷或云内闪电是极为重要的。大量实测表明，对地落雷与云内闪电的典型波形如图2所示。
　　现在实用化的雷电定位系统都采用6个波形特征条件鉴别对地落雷。湖南系统采用的判据值如下：
　　阀值电压：100 mV　　预脉冲PTK/Up≤0.25
　　上升时间t1≤20 μs　　次　峰Up2≤1.20
　　持续时间t2≥40μs　　过　冲Up3/Up≤1.30

图2　典型云闪波形

1.3　雷击点定位的交会方法
　　雷击点的位置是一个关键参数。现有确定落雷地点有2种方法：定向定位(DF)和时差定位(TOA)。近几年发展了综合利用DF和TOA的复合定位方法。
1.3.1　定向定位
　　定向定位要利用2个及以上探测站——正交环形磁场天线同时测定落雷点与探测站连线的方位角。2个探测站获得2个方位角在球面用三角交会确定落雷点。由于利用磁场天线，往往叫磁场定向定位(MDF)。为提高定位精度，采用了3个以上探测站和优化算法，即使式(1)的X2值为最小：
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(1)
式中，θi为第i站测的方位角；θi0是第i站与优化落雷点连线的方位角。
1.3.2　时差定位
　　时差定位是通过监测落雷点电磁波信号峰值到达探测站相对时间差，在球面上建立双曲线3个探　测站能产生2条双曲线，其交点即落雷点位置(见图3)。由于2条双曲线可能有2个相交点，其中一个是伪点，因此TOA中要有4个探测站，使得定位解是唯一的。TOA中既可以利用磁场信号(MTOA)，也可以采用　电场信号(ETOA)。由于TOA中几乎不存在场地误差，利用GPS技术把各探测站的时间同步到纳秒级，因此TOA是定位最精确的方法。

图3　时差定位求雷击点原理

1.3.3　时差磁方向联合定位
　　尽管TOA是精度最高的落雷定位方法，但当收到落雷电磁信号的有效探测站数n少于3个时，它却无能为力；即使有效探测站n＝3，在一定情况下，2条双曲线呈渐进线，这时定位精度极低。利用时差技术和磁方向技术的联合定位(TDD)［3，4］就可以在n＝3甚至n＝2的情况下，获得比MDF更精确的定位，其原理见图4。
　　图4示2个探测站的交会情况，2站时差确立一条双曲线。任一个站的磁方向给出一个磁场方向(如θ1)，交点决定落雷点P。联合定位扩大精确定位的覆盖范围，无疑是近年来开发应用开发的新技术。

图4　联合定位原理

2　湖南雷电定位系统构成与特性

2.1　基本配置
　　湖南雷电定位系统(以下简称系统)包括9个探测站、一个中心站、多个用户终端和通信网络，其中通信网络是电力系统的公用微波网络。
　　系统能对全省范围内的落雷信息实时接收、处理、显示、发送和储存。系统能显示落雷的位置、时间、强度、极性，并且能显示雷暴的运动情况；建立了全省输电线路坐标库，能在线路雷击跳闸后极短时间内查出线路受到雷击的故障杆号，指导各线路所的查线工作。
2.2　探测站
　　9个探测站分设在长沙、常德、凤滩、娄底、冷水滩、郴州、衡阳、怀化和岳阳，既考虑了覆盖全省，又重点照顾超高压线路的路径分布。探测站通过电场天线、正交磁场天线实时监测落雷电磁场信号，经放大、峰值取样、压缩等处理，把落雷时间、强度、极性、回击数、方向角、峰值时间等信息，通过调制解调器发至中心站。特别要指出，信号峰点的取样极为重要，否则要么近处落雷、强雷因饱和而丢失，要么对远方落雷、小雷因信号小而丢失。本系统成功采用非线性压缩技术，提高探测装置的动态范围，保证在1～300 kA有足够可*性。
2.3　中心站
　　中心站将探测站传送来的落雷信息，根据时间一致原则进行组合，然后按TOA(ETOA，MTOA)、MDF、TDD等交会方式进行定位计算，并把数据传至用户终端和存入数据库。平时中心站定时对全部探测站进行性能测试和分析，它是系统的核心。其雷电信息处理流程见图5。

图5　中心站雷电数据处理框图

2.4　用户终端
　　用户终端接受中心站传递来的落雷信息，包括落雷时间、位置、强度、极性、显示在地理位置上，以方便用户对落雷进行查询、分析、统计。湖南系统有近程终端和远程终端，后者包括有调度通信局的调度室以及各电业局。主要技术性能如下：
　　定位误差：　　基线区内≤1 km
基线区外≥3 km
　　探测效率：　　正常范围内云地闪＞90%
误信号率＜1%
总探测效率＞85%
　　雷电强度误差：士20%(1～300 kA范围)
　　计时精度：　　＜0.1 μs
　　探测站工作环境温度：　　-15～75 ℃

3　应用

　　湖南系统是先投运DF，然后投运TOA。作为一个实用化的系统已有3 a的良好运行实绩。在雷电数据积累、统计，以及线路雷击点定位上取得较好的应用效果。
3.1　雷电数据的统计应用
　　根据电力系统防雷工作需要，进行了雷电日、雷电小时、落雷次数、落雷密度、雷电流强度、极性等统计分析。全年128 881个落雷中，79.4%的雷电流分布在10～40 kA范围，平均值为31.30 kA，超过100 kA雷电流仅为0.92%。综合1996、1997年测量的204 465个落雷得到的全省雷电流概率分布与新规程［5］推荐的分布相比，我省小电流的落雷次数多，而大电流的落雷概率小。
3.2　高压线路雷击点定位及查找
3.2.1　建立输电线路杆塔坐标数据库
　　建立输电线路杆塔经纬度坐标数据库是线路雷击点定位的基础工作之一。采用GPS定位仪对全省220 kV及以上线路5 000多km逐基测量其经纬度坐标，通过数据校验、订正、输入数据库。根据查找需要，数据库中数据可以单条、多条或全部迭加在地区地图上。
3.2.2　线路雷击故障点查找方式
　　当线路雷击跳闸后，调度部门或线路维护单位提供线路名称、跳闸时间，在中心站启动雷击故障查询系统。根据线路名称、查找时刻、时间间隔、线路两侧查询宽度，查询系统自动弹出该线路在该时间段、线路查询宽度内所有落雷显示在地图上，并给出每个落雷的时间、强度、位置与线路距离最近的杆号和距离。
　　当线路开关跳闸时间不准确，落雷次数多且分布散时，则需要根据雷电流大小，落雷时刻、落雷点与线路的距离等因素，最后由技术人员确定某个杆塔或某几个杆塔作为重点查线杆号。
3.2.3　指导查线的实际成效
　　湖南雷电定位系统用于指导查线始于1996年7月，1996～1997年共指导查线13次列于表1。查出故障点后，在现场对误差进行实地测量，误差在1 km的占50%以上，最大误差在3 km。1998年3～6月共指导查线10次，列于表2。线路坐标已建库，所以中心站直接通知故障杆号，可以看到实际故障杆号与雷电定位通知杆号相差不超过2的为7次，占70%，最大相差8个杆号，已基本满足电力行业的要求，大大减轻了线路人员的查线工作量，缩短了线路故障处理时间。

4　推广应用的2个问题

4.1　实际定位精度
　　湖南雷电定位系统通过1996～1998年运行，表明其硬件和软件都达到实用化的要求，在输电线雷击故障点定位上，其误差也达到了国外实际应用的先进水平，尽管理论误差可达500 m，可是根据1996年发表的相关文献，日本、美国及英国的系统实际定位精度最近才达到1 km［6，7］，其中英国定位精度3 km，可以说由于GPS已把各探测站的时间同步达到纳秒级水平。因此，TOA技术的成功采用，使我国雷电定位系统在实际定位精度和国外已在同一水平上，基本满足电力生产的需要。当然今后加强误差修正研究，改善交汇方法，不断提高落雷的实际定位精度仍是必需的。

表1　　1996～1997年220 kV线路雷击点定位误差

日　期 时间 线路名称 雷击杆号 实际定位误差/km
1996?07?09 16：55 柘泉线Ⅰ P 265 2.73
1996?08?18 17：11 金豹线 P 118 0.68
1996?09?13 19：35 东城线 P 5 0.82
1997?04?02 22：00 民响线 P 182 1.90
1997?04?14 6：48 云集线 P 104 2.97
1997?04?19 15：32 摄茶线 P 14 1.45
1997?05?12 3：35 柘泉线Ⅰ P 30 2.50
1997?07?12 20：40 凤毛线 P 117 0.80
1997?07?23 9：03 榔迎线 P 7 0.21
1997?07?26 14：33 柘泉线Ⅰ P 38 2.79
1997?09?01 15：21 凤德线 P 29 1.38
1997?09?02 2：21 酃白线 P 163 0.50
1997?10?14 5：25 柘泉线Ⅱ P 312 0.80

表2　　1998年雷电定位系统指导查线情况

日　期 时　间 线路名称 雷击杆号 实际杆号
1998?04?26 5：14 五民线 P 379 P 377
1998?03?08 8：20 凤毛线 P 63 P 62
1998?03?23 2：14 巴树线 P 140 P 140
1998?04?11 2：31 柘德线 P 127 P 133
1998?04?11 3：12 凤德线 P 144 P 144
1998?04?11 3：47 凤毛线 P 167 P 165
1998?04?11 14：00 岳新线Ⅰ P 66 P 64
1998?04?11 15：25 柘泉线Ⅱ P 148 P 148
1998?06?13 6：45 云集线 P 128 P 119
1998?06?18 2：56 柘泉线Ⅰ P 163 P 166

4.2　加速雷电定位系统的推广应用
　　我国雷电定位系统的开发单位已有多家，基本上都达到实际应用水平，因此加速全国雷电定位系统的推广应用是当务之急。国外推广应用有2种模式：一是统一国家雷电探测网，如美国的NLDN，起初是纽约州立大学根据与EPRI签定的合同开发的，后由全美全球气象公司改进并投运，用105个探测站覆盖美国，包括各电力公司在内的300多个用户向网络注册使用［3］；二是日本模式，日本7家电力公司各自建立覆盖供电范围的区域网，北海道电力公司、东北电力公司网的探测站均为7个，而关西电力公司只用了3个探测站，至今尚无他们是否联网成为整个日本统一雷电定位网的报道［6］。综上所述，推广应用走日本模式比较适合我国国情，所不同的是有的以省电力公司建网，如湖南、山东、广东，有的以电力集团公司建网，如华北、华东电网，由于国内雷电定位开发单位采用的具体技术还是有些差异，因此，各区域网的互联在技术上还是有不少工作要做，关键是各区域网要建好、用好。

5　结论

　　(1)湖南雷电定位系统采用了先进的GPS时间和时差原理，成功地开发了电场时差，磁场时差定位系统，并开发了磁场方向与时差联合定位方式。
　　(2)3 a多运行表明，系统的抗干扰能力较强，稳定性好，能满足湖南高温、多雨、强雷暴环境条件的要求。
　　(3)探测站布站合理，基本覆盖湖南全省，雷电探测效率达85%以上，理论定位误差全省大部分地区在500 m以内，线路雷击故障点查找实际误差为1 km，最大误差为3 km，与国外实际定位误差水平相同。
　　(4)我国雷电定位系统在硬件、软件上均达到实用化阶段，各省和集团电力公司建立覆盖自己范围的雷电定位系统既具备条件，又是当务之急。

作者单位:周延龄　黎利佳　湖南电力试验研究所
　　　　　苏贻泰　中国科学院空间科学与应用研究中心

参考文献

1　周延龄,黎利佳,黄迪威.对地落雷密度测量的研究.雷电与静电1986(2)
2　R.H.Golde. 雷电.北京:水利出版社,1983
3　Ralph Bernstein, Ralph samm, Ken cummins. Lightning Detection Network Averts Damage and Speeds Restoration. IEEE Computer in Power, 1996
4　Syarif Hidayat, Masard Ishii. Error in Lightning Location by Time-Defference and Direction(TDD) Technigue-Theory. T.IEE Japan, 1996,116B(4)
5　DL/T 620?1997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合
6　日本防雷设计委员会雷电特性分委会.落雷位置标定装置の现状とそのデタを用いじ落雷频度マシブの作成.T.IEE Japan, 1996,116B(4)
7　Paul Taylor. When lightning Strikes: Split-second Timming and Thunderstorm Forecasting GPS World. November 1996: 24～32