雷电定位系统的原理与应用研究

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1、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　Todistinguishincluding9monitoringstationscoveringconfiguration,characte

2、risticsandpracticalapplicationofthislightningspottingsystemandsuggeststhe　　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

3、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110～220kV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

4、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

5、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

6、判据值如下：　　阀值电压：100mV　　预脉冲PTK/Up≤0.25　　上升时间t1≤20μs　　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

7、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12全文查看中，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

8、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