徐鵬，馬儀，杜蛟，李蕊，伍陽陽

(1.昆明理工大學云南電網(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1，伍陽陽3

(1.昆明理工大學云南電網(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.華北電力大學云南電網(wǎng)公司研究生工作站，昆明 650217)

簡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、風偏、雷電等等自然災(zāi)害都會對電網(wǎng)安全運行構(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行的主要原因。由云南各州市供電局巡線報告統(tǒng)計可知：2011年云南電網(wǎng)雷擊導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，開展對于雷電定位系統(tǒng)的應(yīng)用與研究，對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)一般是在一個地區(qū)甚至一個國家的廣大區(qū)域設(shè)立多個相距幾十公里到幾百公里的探測站，構(gòu)成雷電探測網(wǎng)，測量雷電波的方向、距離、高度角和諸多物理參數(shù)，測量數(shù)據(jù)經(jīng)處理可得到雷電發(fā)生的地點 (坐標)、時間和雷電流的強度、極性、回擊次數(shù)等有關(guān)數(shù)據(jù)，進而可以挖掘出相應(yīng)的雷電參數(shù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)為防雷工作提供指導。

20世紀70年代末，美國出現(xiàn)現(xiàn)代雷電遙測定位技術(shù)。1991年之前，開始隨用戶分區(qū)域建設(shè)LLS(Lightning Location System)。1991～1993年，對原來分區(qū)獨立運行的3個系統(tǒng)實施了聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一運行。到1994年，建立了全國統(tǒng)一的規(guī)劃科學的國家雷電監(jiān)測網(wǎng) (NLDN)[1-2]。目前我國電網(wǎng)已經(jīng)在30個省建立了省域LLS[3-4]。

由于雷電定位系統(tǒng)的有效覆蓋范圍與雷電監(jiān)測子站的數(shù)量和分布有關(guān)，檢測區(qū)域隨雷電檢測子站向外延伸而擴大，形成了一個雷電定位系統(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站以下采用較為簡單的獨立算法，3站以上采用較為復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)主要有時差定位法、方向定位法、綜合法三種方式：

2.1 時差定位法

假設(shè)多個探測站所在區(qū)域為同一平面，忽略地形影響因素。那么如圖1，圖中R1、R2、R3為探測站；設(shè)P為地閃位置，測量發(fā)生在L處的地閃到達探測站的時刻，每2站有一時間差及對應(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。當?shù)?個探測站符合定位條件時，構(gòu)成了另一條雙曲線，2條雙曲線的交點L即為雷擊點，而L’是2條雙曲線另一個數(shù)學解[6]，即偽雷擊點。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，在L出發(fā)生了一個雷擊，該雷擊所輻射的電磁脈沖信號至各站時的時刻分別為t1，t2，t3，則：

圖1 時差定位法

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)對磁場波形的影響下，地閃磁場輻射波穿過探測站的正交框形天線，在南北與東西方向天線(對應(yīng)X-Y軸)產(chǎn)生的磁場強度分別為 HNS和 HWE，測量tanα，即可求得雷擊點A相對探測站的方位角，用2個探測站的坐標和方位角即可求得A點坐標，較多觀測量可平差求最優(yōu)值并估計誤差[4，11，12]， 見圖2。

圖2 方向定位法

2.3 綜合法

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

綜合法是當前使用最廣的方法，我國電網(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

我國自20世紀80年代引進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)度及運行部門將雷電定位監(jiān)測技術(shù)及系統(tǒng)作為雷擊故障點快速定位、雷擊事故鑒別、雷電短時預(yù)警的主要技術(shù)手段。截至2011年，我國實現(xiàn)了33個行政區(qū)域和90%以上電網(wǎng)的覆蓋，對輸電線路雷擊故障點的快速平均定位精度已優(yōu)于1 000 m、探測效率超過85%[13-14]，并有效解決了省際間存在的雷電監(jiān)測盲區(qū)，目前我國雷電定位系統(tǒng)的價值在于以下幾個方面[15]：

1)雷電實時監(jiān)測。雷電定位系統(tǒng)通過快速的數(shù)據(jù)處理，可以實時顯示地面落雷密度等情況[16]，直觀的顯示可以讓相關(guān)人員判斷地閃的強度與走勢[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，因而會影響對其真實原因的查找和處理。利用雷電定位系統(tǒng)，可以通過查找落雷點來判斷事故的是否為雷擊故障，這對電網(wǎng)分析跳閘故障[19]與解決故障，有很重要的指導意義[20]。目前很多電網(wǎng)運行部門在線路發(fā)生跳鬧事故時，首先查看地面落雷情況。

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

4)指導電力線路防雷。雷電活動特性是輸電線路防雷設(shè)計的基礎(chǔ)。與輸變電工程雷電防護相關(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)，獲取大量的觀測數(shù)據(jù)[24]用于雷電研究。對整條線路的雷擊閃絡(luò)率做出比較科學的分析[25-27]，在根據(jù)地形以及地段對整條線路進行分類的基礎(chǔ)上，對各種地形條件下的雷擊閃絡(luò)率進行分別計算[28]，進而通過按比例加權(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)時間差的準確性。時差定位的關(guān)鍵是測量時間差的準確性，時間差誤差1 ms就會導致0.3 km的定位誤差[36-38]。因此雷電探測儀的測量誤差主要來源于所測雷電波到達不同站點的時間差[39]，而測時精度依賴于GPS系統(tǒng)，目前的GPS測時精度可以達到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受到地形印象，會生波形畸變，引起測時誤差。根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，每100 km引起的測時誤差大約1 μs。一般情況下探測站的有效探測距離在300 km以內(nèi)，最大測時誤差不超過3 μs，因此所測得的測試誤差T為GPS測時誤差t1與t2之和。

2)地形因素影響下的定位誤差。從原理上分析，時差定位系統(tǒng)是在認為被測區(qū)域為平面的情況下來進行后續(xù)計算的，而實際區(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得時間差也會在地形折算上產(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，因此定位計算中應(yīng)將雷電波傳播的實際空間距離改算為計算基準面上的橢球球面弧長將有效提高雷電探測與計算精度。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引起地面?zhèn)鞑サ睦纂姴ǖ南嗨僮兓?。雷電波?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 [43]中作者根據(jù)兩個大區(qū)網(wǎng)發(fā)生的真實雷擊點，采用真空、濕地和干地三個雷電波波速分別進行了定位計算。并可以得出結(jié)論：①對平原地區(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當雷擊發(fā)生在山區(qū)時，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 雷擊點與實際雷擊點間距離計算結(jié)果

3)雷電探測儀布置位置引起的測量波形誤差。探測儀作為雷電定位系統(tǒng)的重要組成部分，通常被認為雷電定位系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它負責對雷電信號探測、識別、儲存和傳輸。多布置在城市中，一般在供電局、電力公司大樓頂部，取一個 “視野”開闊較少遮蔽物的探測點。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)。當雷電形成主放電通道進行回擊時，由于其強大的電流存在，建筑物中的鋼筋會發(fā)生靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)，從而導致雷電電磁場信號在傳播過程中發(fā)生畸變?；兊碾姶艌霾ㄐ螌纂姸ㄎ幌到y(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 [15]中雷電流反演公式，雷電電磁場與雷電流幅值成正相關(guān)。當使用受干擾的雷電電磁場信號進行計算時，將導致雷電流幅值不準確，可能引起工程應(yīng)用中的各種誤操作與計算誤差。

從對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)到的磁場強度來進行計算。若磁場波形也發(fā)生畸變，則HNS和HWE幅值也會發(fā)生改變，這樣經(jīng)過反正切變換時的角度α失真，最終也會導致測量的雷電定位精度下降。

5 結(jié)束語

綜上所述，要進一步完善現(xiàn)有的雷電定位系統(tǒng)，解決針對這些關(guān)鍵技術(shù)的研究將會極大提升我國雷電檢測與防護的技術(shù)水平。在如下方面還可以做深入研究：

1)采用新的GPS授時系統(tǒng)可以減小雷電定位系統(tǒng)的定位誤差，文獻 [46]中提出了一種更為精確的GPS授時系統(tǒng)設(shè)計方法。通過新的設(shè)計來減小雷電定位系統(tǒng)的時間誤差有待進一步研究。

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

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

馬儀 (1969)，男，碩士，高級工程師，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，昆明理工大學云南電網(wǎng)公司研究生工作站，從事電力系統(tǒng)繼電保護與超導技術(shù)方向研究。風電場建設(shè)中一味追求總裝機容量的方式并不可取。