雷電定位系統的原理與應用研究

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developmentandapplicationoflightningspottingsystem

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

keywordslightningspottingsystem

湖南是一個多雷省份，通常年雷暴日數在50d以上，雷擊是線路故障的主要原因。出于安全生產的需要，多年來對雷電參數的觀測，尤其80年代對地落雷密度測量，做了大量工作，得出湖南對地落雷密度［1］r＝0.063次/km2。這一觀測結果遠比原規程r＝0.015大3倍，與1997年新修訂的規程r＝0.07很接近。90年代，隨著電力工業的大發展，投運的高壓線路迅速增長，線路雷擊事故增多，故障點的查找工作量很大，以致線路雷擊故障查找率對于110～220kv等級只有50%左右。另一方面，是把線路的其它事故無根據地歸結于雷擊。在這種形勢下，鑒別線路是否落雷以及精確確定落雷桿號就顯得很迫切。正是基于這一生產需要，1993年提出開發湖南的雷電定位系統。

經過5a調查研究，開發了全部硬件和軟件，建成了包含9個探測站覆蓋全省的湖南雷電定位系統，以它的良好定位精度，從1996年開始，在指導全省5000多km220kv及以上超高壓線路的雷擊故障點查找上，發揮了重要作用。

本文以這個系統為背景，介紹雷電定位系統的構成、特性、應用，以及今后推廣中的一些問題。

1雷擊故障定位的原理

雷電放電會產生光、聲音和電磁波。現在實用化的雷擊故障定位大都測定放電輻射的電磁波。為此必須建立相應的輻射電磁場計算模型，區分云內放電與對地落雷，采用精確的雷擊點的定位交會方法。

1.1回擊輻射電磁場計算模型

大量實際觀測弄清了對地落雷的形態［2］。落雷通常開始于雷云中高靜電區的放電，然后從云向地面以先導形式向下進展，先導到達地面或高聳物體后，沿著先導路徑向上產生回擊。盡管先導發展具有隨意性，但在接近地面時，其通道在幾百米的范圍內是幾乎垂直于地面的。落雷回擊電流為幅值大、起始部分陡峭的大電流脈沖，并以近似于光速沿著先導放電路徑從大地向云中發展，輻射出很強的電磁波。利用圖1的計算模型可以確定回擊電流在地面上任一點產生的電磁場強度e(r,φ，θ，t)和b(r,φ，θ，t)。

圖1回擊的電磁場計算模型

1.2對地落雷波形判據

云內放電同樣輻射電磁波，因此區分對地落雷或云內閃電是極為重要的。大量實測表明，對地落雷與云內閃電的典型波形如圖2所示。

現在實用化的雷電定位系統都采用6個波形特征條件鑒別對地落雷。湖南系統采用的判據值如下：

閥值電壓：100mv預脈沖ptk/up≤0.25

上升時間t1≤20μs次峰up2≤1.20

持續時間t2≥40μs過沖up3/up≤1.30

圖2典型云閃波形

1.3雷擊點定位的交會方法

雷擊點的位置是一個關鍵參數?，F有確定落雷地點有2種方法：定向定位(df)和時差定位(toa)。近幾年發展了綜合利用df和toa的復合定位方法。

1.3.1定向定位

定向定位要利用2個及以上探測站——正交環形磁場天線同時測定落雷點與探測站連線的方位角。2個探測站獲得2個方位角在球面用三角交會確定落雷點。由于利用磁場天線，往往叫磁場定向定位(mdf)。為提高定位精度，采用了3個以上探測站和優化算法，即使式(1)的x2值為最小：

(1)

式中，θi為第i站測的方位角；θi0是第i站與優化落雷點連線的方位角。

1.3.2時差定位

時差定位是通過監測落雷點電磁波信號峰值到達探測站相對時間差，在球面上建立雙曲線3個探測站能產生2條雙曲線，其交點即落雷點位置(見圖3)。由于2條雙曲線可能有2個相交點，其中一個是偽點，因此toa中要有4個探測站，使得定位解是唯一的。toa中既可以利用磁場信號(mtoa)，也可以采用電場信號(etoa)。由于toa中幾乎不存在場地誤差，利用gps技術把各探測站的時間同步到納秒級，因此toa是定位最精確的方法。

圖3時差定位求雷擊點原理

1.3.3時差磁方向聯合定位

盡管toa是精度最高的落雷定位方法，但當收到落雷電磁信號的有效探測站數n少于3個時，它卻無能為力；即使有效探測站n＝3，在一定情況下，2條雙曲線呈漸進線，這時定位精度極低。利用時差技術和磁方向技術的聯合定位(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個探測站的交會情況，2站時差確立一條雙曲線。任一個站的磁方向給出一個磁場方向(如θ1)，交點決定落雷點p。聯合定位擴大精確定位的覆蓋范圍，無疑是近年來開發應用開發的新技術。

圖4聯合定位原理

2湖南雷電定位系統構成與特性

2.1基本配置

湖南雷電定位系統(以下簡稱系統)包括9個探測站、一個中心站、多個用戶終端和通信網絡，其中通信網絡是電力系統的公用微波網絡。

系統能對全省范圍內的落雷信息實時接收、處理、顯示、發送和儲存。系統能顯示落雷的位置、時間、強度、極性，并且能顯示雷暴的運動情況；建立了全省輸電線路坐標庫，能在線路雷擊跳閘后極短時間內查出線路受到雷擊的故障桿號，指導各線路所的查線工作。

2.2探測站

9個探測站分設在長沙、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，又重點照顧超高壓線路的路徑分布。探測站通過電場天線、正交磁場天線實時監測落雷電磁場信號，經放大、峰值取樣、壓縮等處理，把落雷時間、強度、極性、回擊數、方向角、峰值時間等信息，通過調制解調器發至中心站。特別要指出，信號峰點的取樣極為重要，否則要么近處落雷、強雷因飽和而丟失，要么對遠方落雷、小雷因信號小而丟失。本系統成功采用非線性壓縮技術，提高探測裝置的動態范圍，保證在1～300ka有足夠可*性。

2.3中心站

中心站將探測站傳送來的落雷信息，根據時間一致原則進行組合，然后按toa(etoa，mtoa)、mdf、tdd等交會方式進行定位計算，并把數據傳至用戶終端和存入數據庫。平時中心站定時對全部探測站進行性能測試和分析，它是系統的核心。其雷電信息處理流程見圖5。

圖5中心站雷電數據處理框圖

2.4用戶終端

用戶終端接受中心站傳遞來的落雷信息，包括落雷時間、位置、強度、極性、顯示在地理位置上，以方便用戶對落雷進行查詢、分析、統計。湖南系統有近程終端和遠程終端，后者包括有調度通信局的調度室以及各電業局。主要技術性能如下：

定位誤差：基線區內≤1km

基線區外≥3km

探測效率：正常范圍內云地閃＞90%

誤信號率＜1%

總探測效率＞85%

雷電強度誤差：士20%(1～300ka范圍)

計時精度：＜0.1μs

探測站工作環境溫度：-15～75℃

3應用

湖南系統是先投運df，然后投運toa。作為一個實用化的系統已有3a的良好運行實績。在雷電數據積累、統計，以及線路雷擊點定位上取得較好的應用效果。

3.1雷電數據的統計應用

根據電力系統防雷工作需要，進行了雷電日、雷電小時、落雷次數、落雷密度、雷電流強度、極性等統計分析。全年128881個落雷中，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年測量的204465個落雷得到的全省雷電流概率分布與新規程［5］推薦的分布相比，我省小電流的落雷次數多，而大電流的落雷概率小。

3.2高壓線路雷擊點定位及查找

3.2.1建立輸電線路桿塔坐標數據庫

建立輸電線路桿塔經緯度坐標數據庫是線路雷擊點定位的基礎工作之一。采用gps定位儀對全省220kv及以上線路5000多km逐基測量其經緯度坐標，通過數據校驗、訂正、輸入數據庫。根據查找需要，數據庫中數據可以單條、多條或全部迭加在地區地圖上。

3.2.2線路雷擊故障點查找方式

當線路雷擊跳閘后，調度部門或線路維護單位提供線路名稱、跳閘時間，在中心站啟動雷擊故障查詢系統。根據線路名稱、查找時刻、時間間隔、線路兩側查詢寬度，查詢系統自動彈出該線路在該時間段、線路查詢寬度內所有落雷顯示在地圖上，并給出每個落雷的時間、強度、位置與線路距離最近的桿號和距離。

當線路開關跳閘時間不準確，落雷次數多且分布散時，則需要根據雷電流大小，落雷時刻、落雷點與線路的距離等因素，最后由技術人員確定某個桿塔或某幾個桿塔作為重點查線桿號。

3.2.3指導查線的實際成效

湖南雷電定位系統用于指導查線始于1996年7月，1996～1997年共指導查線13次列于表1。查出故障點后，在現場對誤差進行實地測量，誤差在1km的占50%以上，最大誤差在3km。1998年3～6月共指導查線10次，列于表2。線路坐標已建庫，所以中心站直接通知故障桿號，可以看到實際故障桿號與雷電定位通知桿號相差不超過2的為7次，占70%，最大相差8個桿號，已基本滿足電力行業的要求，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間。

4推廣應用的2個問題

4.1實際定位精度

湖南雷電定位系統通過1996～1998年運行，表明其硬件和軟件都達到實用化的要求，在輸電線雷擊故障點定位上，其誤差也達到了國外實際應用的先進水平，盡管理論誤差可達500m，可是根據19，96年發表的相關文獻，日本、美國及英國的系統實際定位精度最近才達到1km［6，7］，其中英國定位精度3km，可以說由于gps已把各探測站的時間同步達到納秒級水平。因此，toa技術的成功采用，使我國雷電定位系統在實際定位精度和國外已在同一水平上，基本滿足電力生產的需要。當然今后加強誤差修正研究，改善交匯方法，不斷提高落雷的實際定位精度仍是必需的。

表11996～1997年220kv線路雷擊點定位誤差

日期時間線路名稱雷擊桿號實際定位誤差/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年雷電定位系統指導查線情況

日期時間線路名稱雷擊桿號實際桿號

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加速雷電定位系統的推廣應用

我國雷電定位系統的開發單位已有多家，基本上都達到實際應用水平，因此加速全國雷電定位系統的推廣應用是當務之急。國外推廣應用有2種模式：一是統一國家雷電探測網，如美國的nldn，起初是紐約州立大學根據與epri簽定的合同開發的，后由全美全球氣象公司改進并投運，用105個探測站覆蓋美國，包括各電力公司在內的300多個用戶向網絡注冊使用［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域網，北海道電力公司、東北電力公司網的探測站均為7個，而關西電力公司只用了3個探測站，至今尚無他們是否聯網成為整個日本統一雷電定位網的報道［6］。綜上所述，推廣應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，如湖南、山東、廣東，有的以電力集團公司建網，如華北、華東電網，由于國內雷電定位開發單位采用的具體技術還是有些差異，因此，各區域網的互聯在技術上還是有不少工作要做，關鍵是各區域網要建好、用好。

5結論

(1)湖南雷電定位系統采用了先進的gps時間和時差原理，成功地開發了電場時差，磁場時差定位系統，并開發了磁場方向與時差聯合定位方式。

(2)3a多運行表明，系統的抗干擾能力較強，穩定性好，能滿足湖南高溫、多雨、強雷暴環境條件的要求。

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

(4)我國雷電定位系統在硬件、軟件上均達到實用化階段，各省和集團電力公司建立覆蓋自己范圍的雷電定位系統既具備條件，又是當務之急。

作者單位:周延齡黎利佳湖南電力試驗研究所

蘇貽泰中國科學院空間科學與應用研究中心

參考文獻

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3ralphbernstein,ralphsamm,kencummins.lightningdetectionnetworkavertsdamageandspeedsrestoration.ieeecomputerinpower,1996

4syarifhidayat,masardishii.errorinlightninglocationbytime-defferenceanddirection(tdd)technigue-theory.t.ieejapan,1996,116b(4)

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6日本防雷設計委員會雷電特性分委會.落雷位置標定裝置の現狀とそのデタを用いじ落雷頻度マシブの作成.t.ieejapan,1996,116b(4)

7paultaylor.whenlightningstrikes:split-secondtimmingandthunderstormforecastinggpsworld.november1996:24～32