徐鵬，馬儀，杜蛟，李蕊，伍陽(yáng)陽(yáng)

(1.昆明理工大學(xué)云南電網(wǎng)公司研究生工作站，昆明 650217；2.云南電網(wǎng)公司電力研究院，昆明 650217；3.華北電力大學(xué)云南電網(wǎng)公司研究生工作站，昆明 650217)

雷電定位系統(tǒng)在電網(wǎng)中的應(yīng)用綜述

徐鵬1，馬儀2，杜蛟1，李蕊1，伍陽(yáng)陽(yáng)3

(1.昆明理工大學(xué)云南電網(wǎng)公司研究生工作站，昆明 650217；2.云南電網(wǎng)公司電力研究院，昆明 650217；3.華北電力大學(xué)云南電網(wǎng)公司研究生工作站，昆明 650217)

簡(jiǎn)述了雷電定位的基本概念，定位系統(tǒng)的發(fā)展歷程，雷電定位原理以及該系統(tǒng)在我國(guó)電網(wǎng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀。綜述了雷電定位系統(tǒng)所存在的一些定位精度，測(cè)量幅值的問題，并就此提出一些值得探討的問題。

雷電定位系統(tǒng)；應(yīng)用；定位精度；誤差

0 前言

線路運(yùn)行受到地理氣候氣象等環(huán)境影響較大。在這些諸多的因素中，雷擊是自然災(zāi)害和外力破壞中影響電網(wǎng)安全運(yùn)行的重要因素，云南地處高原山地環(huán)境，氣候多樣，線路浮冰、風(fēng)偏、雷電等等自然災(zāi)害都會(huì)對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行構(gòu)成極大影響。在操作過電壓與污穢治理均獲得良好效果的前提下大氣過電壓引起的絕緣閃絡(luò)成為影響線路安全運(yùn)行的主要原因。由云南各州市供電局巡線報(bào)告統(tǒng)計(jì)可知：2011年云南電網(wǎng)雷擊導(dǎo)致線路跳閘故障占全部故障事件60.19%，2012年云南省也有60.39%的跳閘故障來源于雷擊。因此，開展對(duì)于雷電定位系統(tǒng)的應(yīng)用與研究，對(duì)提高線路防雷水平顯得尤為重要。

1 雷電定位系統(tǒng)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用

雷電定位系統(tǒng)一般是在一個(gè)地區(qū)甚至一個(gè)國(guó)家的廣大區(qū)域設(shè)立多個(gè)相距幾十公里到幾百公里的探測(cè)站，構(gòu)成雷電探測(cè)網(wǎng)，測(cè)量雷電波的方向、距離、高度角和諸多物理參數(shù)，測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)處理可得到雷電發(fā)生的地點(diǎn) (坐標(biāo))、時(shí)間和雷電流的強(qiáng)度、極性、回?fù)舸螖?shù)等有關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)而可以挖掘出相應(yīng)的雷電參數(shù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為防雷工作提供指導(dǎo)。

20世紀(jì)70年代末，美國(guó)出現(xiàn)現(xiàn)代雷電遙測(cè)定位技術(shù)。1991年之前，開始隨用戶分區(qū)域建設(shè)LLS(Lightning Location System)。1991～1993年，對(duì)原來分區(qū)獨(dú)立運(yùn)行的3個(gè)系統(tǒng)實(shí)施了聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一運(yùn)行。到1994年，建立了全國(guó)統(tǒng)一的規(guī)劃科學(xué)的國(guó)家雷電監(jiān)測(cè)網(wǎng) (NLDN)[1-2]。目前我國(guó)電網(wǎng)已經(jīng)在30個(gè)省建立了省域LLS[3-4]。

由于雷電定位系統(tǒng)的有效覆蓋范圍與雷電監(jiān)測(cè)子站的數(shù)量和分布有關(guān)，檢測(cè)區(qū)域隨雷電檢測(cè)子站向外延伸而擴(kuò)大，形成了一個(gè)雷電定位系統(tǒng)典型的積木搭建模式。

2 雷電定位系統(tǒng)的定位原理

雷電定位系統(tǒng)按照探測(cè)站的數(shù)目可以劃分為單站定位和多站定位兩種方式[5]，其中多站定位又以3站為分割線：3站以下采用較為簡(jiǎn)單的獨(dú)立算法，3站以上采用較為復(fù)雜的算法取誤差最小、概率最大的定位方式。

目前多站雷電定位技術(shù)主要有時(shí)差定位法、方向定位法、綜合法三種方式：

2.1 時(shí)差定位法

假設(shè)多個(gè)探測(cè)站所在區(qū)域?yàn)橥黄矫?，忽略地形影響因素。那么如圖1，圖中R1、R2、R3為探測(cè)站；設(shè)P為地閃位置，測(cè)量發(fā)生在L處的地閃到達(dá)探測(cè)站的時(shí)刻，每2站有一時(shí)間差及對(duì)應(yīng)的距離差了，構(gòu)成一條雙曲線，雷擊這條雙曲線上的某一點(diǎn)。當(dāng)?shù)?個(gè)探測(cè)站符合定位條件時(shí)，構(gòu)成了另一條雙曲線，2條雙曲線的交點(diǎn)L即為雷擊點(diǎn)，而L’是2條雙曲線另一個(gè)數(shù)學(xué)解[6]，即偽雷擊點(diǎn)。4站及以上系統(tǒng)能剔出L’，可平差求最優(yōu)值并估算精度[7-10]。在t0時(shí)，在L出發(fā)生了一個(gè)雷擊，該雷擊所輻射的電磁脈沖信號(hào)至各站時(shí)的時(shí)刻分別為t1，t2，t3，則：

圖1 時(shí)差定位法

2.2 方向定位法 (磁向法)

磁向法原理：在忽略地形與建筑物中金屬結(jié)構(gòu)對(duì)磁場(chǎng)波形的影響下，地閃磁場(chǎng)輻射波穿過探測(cè)站的正交框形天線，在南北與東西方向天線(對(duì)應(yīng)X-Y軸)產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為 HNS和 HWE，測(cè)量tanα，即可求得雷擊點(diǎn)A相對(duì)探測(cè)站的方位角，用2個(gè)探測(cè)站的坐標(biāo)和方位角即可求得A點(diǎn)坐標(biāo)，較多觀測(cè)量可平差求最優(yōu)值并估計(jì)誤差[4，11，12]， 見圖2。

圖2 方向定位法

2.3 綜合法

磁向法的測(cè)向誤差較大，需要布置的觀測(cè)量較少；時(shí)差法定位精度高，需要布置的觀測(cè)量較多。綜合法則是將二者綜合優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，在一個(gè)站上同時(shí)獲取方向和時(shí)間觀測(cè)量，既可控制觀測(cè)量，又提高了定位精度，解決某些特殊問題 (如剔除L’)。

綜合法是當(dāng)前使用最廣的方法，我國(guó)電網(wǎng)＞90%的雷電定位系統(tǒng)均采用綜合定位法。

3 雷電定位系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

我國(guó)自20世紀(jì)80年代引進(jìn)了雷電定向定位系統(tǒng)，目前已有了較廣泛的應(yīng)用，許多省網(wǎng)公司調(diào)度及運(yùn)行部門將雷電定位監(jiān)測(cè)技術(shù)及系統(tǒng)作為雷擊故障點(diǎn)快速定位、雷擊事故鑒別、雷電短時(shí)預(yù)警的主要技術(shù)手段。截至2011年，我國(guó)實(shí)現(xiàn)了33個(gè)行政區(qū)域和90%以上電網(wǎng)的覆蓋，對(duì)輸電線路雷擊故障點(diǎn)的快速平均定位精度已優(yōu)于1 000 m、探測(cè)效率超過85%[13-14]，并有效解決了省際間存在的雷電監(jiān)測(cè)盲區(qū)，目前我國(guó)雷電定位系統(tǒng)的價(jià)值在于以下幾個(gè)方面[15]：

1)雷電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。雷電定位系統(tǒng)通過快速的數(shù)據(jù)處理，可以實(shí)時(shí)顯示地面落雷密度等情況[16]，直觀的顯示可以讓相關(guān)人員判斷地閃的強(qiáng)度與走勢(shì)[17-18]，這些信息為電力系統(tǒng)防雷提供大量數(shù)據(jù)支持。

2)協(xié)助判斷電網(wǎng)故障類型。長(zhǎng)期以來，電力系統(tǒng)中凡是發(fā)生在雷電季節(jié)又未能查明原因的故障，往往都被歸類為雷擊故障，因而會(huì)影響對(duì)其真實(shí)原因的查找和處理。利用雷電定位系統(tǒng)，可以通過查找落雷點(diǎn)來判斷事故的是否為雷擊故障，這對(duì)電網(wǎng)分析跳閘故障[19]與解決故障，有很重要的指導(dǎo)意義[20]。目前很多電網(wǎng)運(yùn)行部門在線路發(fā)生跳鬧事故時(shí)，首先查看地面落雷情況。

3)快速查找輸電線路雷擊故障點(diǎn)。雷電定位系統(tǒng)能實(shí)時(shí)顯示每次地閃的時(shí)間、電流幅值、位置等參數(shù)，已知輸電線路出現(xiàn)故障時(shí)，通過查詢線路附近地面落雷情況，可以迅速確定故障點(diǎn)位置坐標(biāo)[21]，大幅度縮短巡線查詢故障時(shí)間。

4)指導(dǎo)電力線路防雷。雷電活動(dòng)特性是輸電線路防雷設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。與輸變電工程雷電防護(hù)相關(guān)的雷電參數(shù)[22]有雷電日、地面落雷密度、雷電流幅值及波形等，三者決定了線路雷擊閃絡(luò)率及變電站雷電侵入波故障率[23]。通過雷電定位系統(tǒng)，獲取大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)[24]用于雷電研究。對(duì)整條線路的雷擊閃絡(luò)率做出比較科學(xué)的分析[25-27]，在根據(jù)地形以及地段對(duì)整條線路進(jìn)行分類的基礎(chǔ)上，對(duì)各種地形條件下的雷擊閃絡(luò)率進(jìn)行分別計(jì)算[28]，進(jìn)而通過按比例加權(quán)的方法求得每條線路總體的雷擊閃絡(luò)率[29]。結(jié)合雷電參數(shù)的地域特性，綜合評(píng)估線路的防雷特性和防雷措施的有效性；因地制宜，提出不同區(qū)域線段的防雷措施包括有：降低接地電阻，增加兩片絕緣子，架設(shè)耦合地線，安裝線路型避雷器，增加避雷線根數(shù)，重新埋設(shè)接地引下線，換土措施，埋設(shè)連續(xù)伸長(zhǎng)接地體[30-35]。

4 雷電定位系統(tǒng)的定位誤差

從雷電定位系統(tǒng)定位的原理上看，以上諸多定位方式都存在著各自的假設(shè)條件，而現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用上卻存在諸多影響因素，這使得雷電定位系統(tǒng)留有一定誤差：

1)時(shí)間差的準(zhǔn)確性。時(shí)差定位的關(guān)鍵是測(cè)量時(shí)間差的準(zhǔn)確性，時(shí)間差誤差1 ms就會(huì)導(dǎo)致0.3 km的定位誤差[36-38]。因此雷電探測(cè)儀的測(cè)量誤差主要來源于所測(cè)雷電波到達(dá)不同站點(diǎn)的時(shí)間差[39]，而測(cè)時(shí)精度依賴于GPS系統(tǒng)，目前的GPS測(cè)時(shí)精度可以達(dá)到0.1 μs。從電磁波傳播理論研究表明，地閃雷電波在地表傳播時(shí)受到地形印象，會(huì)生波形畸變，引起測(cè)時(shí)誤差。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，每100 km引起的測(cè)時(shí)誤差大約1 μs。一般情況下探測(cè)站的有效探測(cè)距離在300 km以內(nèi)，最大測(cè)時(shí)誤差不超過3 μs，因此所測(cè)得的測(cè)試誤差T為GPS測(cè)時(shí)誤差t1與t2之和。

2)地形因素影響下的定位誤差。從原理上分析，時(shí)差定位系統(tǒng)是在認(rèn)為被測(cè)區(qū)域?yàn)槠矫娴那闆r下來進(jìn)行后續(xù)計(jì)算的，而實(shí)際區(qū)域下存在著：地表的球體結(jié)構(gòu)、山川河流影響海拔的地形等因素。這樣的情況下即使精確測(cè)得時(shí)間差也會(huì)在地形折算上產(chǎn)生誤差[40-41]。雷電傳播路徑的變化主要受地球表面高低起伏的地形變化的影響，因此定位計(jì)算中應(yīng)將雷電波傳播的實(shí)際空間距離改算為計(jì)算基準(zhǔn)面上的橢球球面弧長(zhǎng)將有效提高雷電探測(cè)與計(jì)算精度。再者，在地球大氣層中，由于大氣折射率的影響使雷電波傳播的實(shí)際速度比真空中的速度小，再加上土壤的電氣特性及地球的不均勻性也會(huì)引起地面?zhèn)鞑サ睦纂姴ǖ南嗨僮兓＠纂姴ㄔ?00～150 kHz頻率范圍內(nèi)沿不同地面?zhèn)鞑ダ纂姴ǖ乃俾蔥42]分別為：干地299 300 km/s，濕地299 550 km/s，淡水299 370 km/s，海水299 630 km/s。

文獻(xiàn) [43]中作者根據(jù)兩個(gè)大區(qū)網(wǎng)發(fā)生的真實(shí)雷擊點(diǎn)，采用真空、濕地和干地三個(gè)雷電波波速分別進(jìn)行了定位計(jì)算。并可以得出結(jié)論：①對(duì)平原地區(qū)，定位精度隨雷電波波速的減小而增高，最高可提高391 m，最小為25 m。②當(dāng)雷擊發(fā)生在山區(qū)時(shí)，定位精度隨雷電波波速的減小而降低，其原因是山區(qū)地形引起的多路徑效應(yīng)造成的。

表1 雷擊點(diǎn)與實(shí)際雷擊點(diǎn)間距離計(jì)算結(jié)果

3)雷電探測(cè)儀布置位置引起的測(cè)量波形誤差。探測(cè)儀作為雷電定位系統(tǒng)的重要組成部分，通常被認(rèn)為雷電定位系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它負(fù)責(zé)對(duì)雷電信號(hào)探測(cè)、識(shí)別、儲(chǔ)存和傳輸。多布置在城市中，一般在供電局、電力公司大樓頂部，取一個(gè) “視野”開闊較少遮蔽物的探測(cè)點(diǎn)。但是即便如此，城市建筑物中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其本身含有大量鋼筋網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)雷電形成主放電通道進(jìn)行回?fù)魰r(shí)，由于其強(qiáng)大的電流存在，建筑物中的鋼筋會(huì)發(fā)生靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)，從而導(dǎo)致雷電電磁場(chǎng)信號(hào)在傳播過程中發(fā)生畸變?；兊碾姶艌?chǎng)波形將對(duì)雷電定位系統(tǒng)雷電流反演及雷電定位精度產(chǎn)生很大影響[44，45，48]。

由文獻(xiàn) [15]中雷電流反演公式，雷電電磁場(chǎng)與雷電流幅值成正相關(guān)。當(dāng)使用受干擾的雷電電磁場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，將導(dǎo)致雷電流幅值不準(zhǔn)確，可能引起工程應(yīng)用中的各種誤操作與計(jì)算誤差。

從對(duì)磁向法的描述中也可以發(fā)現(xiàn)，它依賴于東西與南北方向天線所感應(yīng)到的磁場(chǎng)強(qiáng)度來進(jìn)行計(jì)算。若磁場(chǎng)波形也發(fā)生畸變，則HNS和HWE幅值也會(huì)發(fā)生改變，這樣經(jīng)過反正切變換時(shí)的角度α失真，最終也會(huì)導(dǎo)致測(cè)量的雷電定位精度下降。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，要進(jìn)一步完善現(xiàn)有的雷電定位系統(tǒng)，解決針對(duì)這些關(guān)鍵技術(shù)的研究將會(huì)極大提升我國(guó)雷電檢測(cè)與防護(hù)的技術(shù)水平。在如下方面還可以做深入研究：

1)采用新的GPS授時(shí)系統(tǒng)可以減小雷電定位系統(tǒng)的定位誤差，文獻(xiàn) [46]中提出了一種更為精確的GPS授時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。通過新的設(shè)計(jì)來減小雷電定位系統(tǒng)的時(shí)間誤差有待進(jìn)一步研究。

2)在雷電定位精度的提高研究中，地形因素所產(chǎn)生的誤差確實(shí)會(huì)給定位測(cè)量 [47]帶來困難。建議跳出雷電測(cè)量原理的思維方式，可以嘗試使用類似行波測(cè)距裝置這類依賴線路的故障判別方式來對(duì)雷電定位進(jìn)行互補(bǔ)矯正。

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Review on Application of Lightning Location System in China Power Grid

XU Peng1，MA Yi2，DU Jiao1，LI Rui1，WU Yangyang3
(1.Graduate Workstation of Kunming University of Science and Technology and Yunnan Power Grid Corporation，Kunming 650217；2.Yunnan Electric Power Research Institute，Kunming 650217；3.Graduate Workstation of North China Electric Power University＆Yunnan Power Grid Corporation，Kunming 650217)

This paper outlines the basic concepts of LLS，the development process of location system，LLS principle and the application status of the system in our power grid.Overview of some of the positioning accuracy of the existence of LLS，lightning current amplitude measurement problems，thereon put forward some issues worth exploring.

LLS；application；positioning accuracy；deviation

TM80

B

1006-7345(2014)04-0015-05

2014-04-03

徐鵬 (1988)，男，碩士生，昆明理工大學(xué)云南電網(wǎng)公司研究生工作站，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)與雷電防護(hù)方向研究 (email)772142377＠qq.com。

馬儀 (1969)，男，碩士，高級(jí)工程師，云南電網(wǎng)公司電力研究院，從事高電壓技術(shù)研究。

杜蛟 (1988)，男，碩士生，昆明理工大學(xué)云南電網(wǎng)公司研究生工作站，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)與超導(dǎo)技術(shù)方向研究。風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)中一味追求總裝機(jī)容量的方式并不可取。