1、雷电定位系统的原理与应用研究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DevelopmentandApplicationofLightningSpottingSystemAbstract Todistinguishwhetherthelinestruckbylightningandspottheexactpolebeingstruck,alightningspottingsyste
2、mincluding9monitoringstationscoveringwholeHunanProvincehasbeenestablished.Thispaperdescribestheprinciple,systemconfiguration,characteristicsandpracticalapplicationofthislightningspottingsystemandsuggeststhewaysofpopularization.Keywords lightning spottingsystem 湖南是一个多雷省份，通常年雷暴日数在 50d以上，雷击是线路故障的主要原因。出
3、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1r0.063 次/km2。这一观测结果远比原规程 r0.015 大 3 倍，与 1997 年新修订的规程 r0.07 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 110220kV 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 5a 调查
4、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 5000多 km220kV 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
5、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,，t)和B(r,，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
6、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：100mV 预脉冲 PTK/Up0.25 上升时间 t120s 次 峰 Up21.20 持续时间 t240s 过 冲 Up3/Up1.30 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
7、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，i 为第 i 站测的方位角；i0 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
8、 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 n3，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 n3 甚至 n2 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 1)，交点决定落雷点 P。联合定位扩大精
9、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
10、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 1300kA 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
11、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1km 基线区外3km 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(1300kA 范围) 计时精度： 0.1s 探测站工作环境温度： -15753 应用 湖南系统是先投运 DF，然后投运 TOA。作为一个实用化
12、的系统已有 3a 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 128881 个落雷中，79.4 的雷电流分布在 1040kA 范围，平均值为 31.30kA，超过 100kA 雷电流仅为 0.92。综合 1996、1997年测量的 204465 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
13、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 220kV 及以上线路 5000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
14、，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，19961997 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 1km的占 50 以上，最大误差在 3km。1998 年 36 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
15、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19961998 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 500m，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 1km6，7 ，其中英国定位精度 3km，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
16、定位精度仍是必需的。表 1 19961997 年 220kV 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/km1996?07?0916：55柘泉线P2652.731996?08?1817：11 金豹线P1180.681996?09?1319：35 东城线 P50.821997?04?0222：00 民响线 P1821.901997?04?146：48 云集线 P1042.971997?04?1915：32 摄茶线 P141.451997?05?123：35 柘泉线P302.501997?07?1220：40凤毛线 P1170.801997?07?239：03 榔迎线 P70.21
17、1997?07?2614：33柘泉线P382.791997?09?0115：21 凤德线P291.381997?09?022：21 酃白线 P1630.501997?10?145：25 柘泉线P3120.80 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?265：14 五民线P379P3771998?03?088：20 凤毛线 P63P621998?03?232：14 巴树线P140P1401998?04?112：31 柘德线 P127P1331998?04?113：12 凤德线 P144P1441998?04?113：47 凤毛线 P167
18、P1651998?04?1114：00 岳新线P66P641998?04?1115：25 柘泉线P148P1481998?06?136：45 云集线 P128P1191998?06?182：56 柘泉线P163P1664.2 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
19、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
20、发了磁场方向与时差联合定位方式。 (2)3a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 500m 以内，线路雷击故障点查找实际误差为1km ，最大误差为3km，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
21、量的研究.雷电与静电 1986(2)2 R.H.Golde.雷电.北京:水利出版社,19833 RalphBernstein,Ralphsamm,Kencummins.LightningDetectionNetworkAvertsDamageandSpeedsRestoration.IEEEComputerinPower,19964 SyarifHidayat,MasardIshii.ErrorinLightningLocationbyTime-DefferenceandDirection(TDD)Technigue-Theory.T.IEEJapan,1996,116B(4)5 DL/T620?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.落雷位置标定装置现状 用落雷频度作成.T.IEEJapan,1996,116B(4)7 PaulTaylor.WhenlightningStrikes:Split-secondTimmingandThunderstormForecastingGPSWorld.November1996:2432
