雷电定位系统在电网中的应用综述

徐鹏，马仪，杜蛟，李蕊，伍阳阳

(1.昆明理工大学云南电网公司研究生工作站，昆明 650217；2.云南电网公司电力研究院，昆明 650217；3.华北电力大学云南电网公司研究生工作站，昆明 650217)

雷电定位系统在电网中的应用综述

徐鹏1，马仪2，杜蛟1，李蕊1，伍阳阳3

(1.昆明理工大学云南电网公司研究生工作站，昆明 650217；2.云南电网公司电力研究院，昆明 650217；3.华北电力大学云南电网公司研究生工作站，昆明 650217)

简述了雷电定位的基本概念，定位系统的发展历程，雷电定位原理以及该系统在我国电网中的应用现状。综述了雷电定位系统所存在的一些定位精度，测量幅值的问题，并就此提出一些值得探讨的问题。

雷电定位系统；应用；定位精度；误差

0 前言

线路运行受到地理气候气象等环境影响较大。在这些诸多的因素中，雷击是自然灾害和外力破坏中影响电网安全运行的重要因素，云南地处高原山地环境，气候多样，线路浮冰、风偏、雷电等等自然灾害都会对电网安全运行构成极大影响。在操作过电压与污秽治理均获得良好效果的前提下大气过电压引起的绝缘闪络成为影响线路安全运行的主要原因。由云南各州市供电局巡线报告统计可知：2011年云南电网雷击导致线路跳闸故障占全部故障事件60.19%，2012年云南省也有60.39%的跳闸故障来源于雷击。因此，开展对于雷电定位系统的应用与研究，对提高线路防雷水平显得尤为重要。

1 雷电定位系统在电力系统的应用

雷电定位系统一般是在一个地区甚至一个国家的广大区域设立多个相距几十公里到几百公里的探测站，构成雷电探测网，测量雷电波的方向、距离、高度角和诸多物理参数，测量数据经处理可得到雷电发生的地点 (坐标)、时间和雷电流的强度、极性、回击次数等有关数据，进而可以挖掘出相应的雷电参数统计数据为防雷工作提供指导。

20世纪70年代末，美国出现现代雷电遥测定位技术。1991年之前，开始随用户分区域建设LLS(Lightning Location System)。1991～1993年，对原来分区独立运行的3个系统实施了联网统一运行。到1994年，建立了全国统一的规划科学的国家雷电监测网 (NLDN)[1-2]。目前我国电网已经在30个省建立了省域LLS[3-4]。

由于雷电定位系统的有效覆盖范围与雷电监测子站的数量和分布有关，检测区域随雷电检测子站向外延伸而扩大，形成了一个雷电定位系统典型的积木搭建模式。

2 雷电定位系统的定位原理

雷电定位系统按照探测站的数目可以划分为单站定位和多站定位两种方式[5]，其中多站定位又以3站为分割线：3站以下采用较为简单的独立算法，3站以上采用较为复杂的算法取误差最小、概率最大的定位方式。

目前多站雷电定位技术主要有时差定位法、方向定位法、综合法三种方式：

2.1 时差定位法

假设多个探测站所在区域为同一平面，忽略地形影响因素。那么如图1，图中R1、R2、R3为探测站；设P为地闪位置，测量发生在L处的地闪到达探测站的时刻，每2站有一时间差及对应的距离差了，构成一条双曲线，雷击这条双曲线上的某一点。当第3个探测站符合定位条件时，构成了另一条双曲线，2条双曲线的交点L即为雷击点，而L’是2条双曲线另一个数学解[6]，即伪雷击点。4站及以上系统能剔出L’，可平差求最优值并估算精度[7-10]。在t0时，在L出发生了一个雷击，该雷击所辐射的电磁脉冲信号至各站时的时刻分别为t1，t2，t3，则：

图1 时差定位法

2.2 方向定位法 (磁向法)

磁向法原理：在忽略地形与建筑物中金属结构对磁场波形的影响下，地闪磁场辐射波穿过探测站的正交框形天线，在南北与东西方向天线(对应X-Y轴)产生的磁场强度分别为 HNS和 HWE，测量tanα，即可求得雷击点A相对探测站的方位角，用2个探测站的坐标和方位角即可求得A点坐标，较多观测量可平差求最优值并估计误差[4，11，12]， 见图2。

图2 方向定位法

2.3 综合法

磁向法的测向误差较大，需要布置的观测量较少；时差法定位精度高，需要布置的观测量较多。综合法则是将二者综合优势互补，在一个站上同时获取方向和时间观测量，既可控制观测量，又提高了定位精度，解决某些特殊问题 (如剔除L’)。

综合法是当前使用最广的方法，我国电网＞90%的雷电定位系统均采用综合定位法。

3 雷电定位系统应用现状

我国自20世纪80年代引进了雷电定向定位系统，目前已有了较广泛的应用，许多省网公司调度及运行部门将雷电定位监测技术及系统作为雷击故障点快速定位、雷击事故鉴别、雷电短时预警的主要技术手段。截至2011年，我国实现了33个行政区域和90%以上电网的覆盖，对输电线路雷击故障点的快速平均定位精度已优于1 000 m、探测效率超过85%[13-14]，并有效解决了省际间存在的雷电监测盲区，目前我国雷电定位系统的价值在于以下几个方面[15]：

1)雷电实时监测。雷电定位系统通过快速的数据处理，可以实时显示地面落雷密度等情况[16]，直观的显示可以让相关人员判断地闪的强度与走势[17-18]，这些信息为电力系统防雷提供大量数据支持。

2)协助判断电网故障类型。长期以来，电力系统中凡是发生在雷电季节又未能查明原因的故障，往往都被归类为雷击故障，因而会影响对其真实原因的查找和处理。利用雷电定位系统，可以通过查找落雷点来判断事故的是否为雷击故障，这对电网分析跳闸故障[19]与解决故障，有很重要的指导意义[20]。目前很多电网运行部门在线路发生跳闹事故时，首先查看地面落雷情况。

3)快速查找输电线路雷击故障点。雷电定位系统能实时显示每次地闪的时间、电流幅值、位置等参数，已知输电线路出现故障时，通过查询线路附近地面落雷情况，可以迅速确定故障点位置坐标[21]，大幅度缩短巡线查询故障时间。

4)指导电力线路防雷。雷电活动特性是输电线路防雷设计的基础。与输变电工程雷电防护相关的雷电参数[22]有雷电日、地面落雷密度、雷电流幅值及波形等，三者决定了线路雷击闪络率及变电站雷电侵入波故障率[23]。通过雷电定位系统，获取大量的观测数据[24]用于雷电研究。对整条线路的雷击闪络率做出比较科学的分析[25-27]，在根据地形以及地段对整条线路进行分类的基础上，对各种地形条件下的雷击闪络率进行分别计算[28]，进而通过按比例加权的方法求得每条线路总体的雷击闪络率[29]。结合雷电参数的地域特性，综合评估线路的防雷特性和防雷措施的有效性；因地制宜，提出不同区域线段的防雷措施包括有：降低接地电阻，增加两片绝缘子，架设耦合地线，安装线路型避雷器，增加避雷线根数，重新埋设接地引下线，换土措施，埋设连续伸长接地体[30-35]。

4 雷电定位系统的定位误差

从雷电定位系统定位的原理上看，以上诸多定位方式都存在着各自的假设条件，而现场应用上却存在诸多影响因素，这使得雷电定位系统留有一定误差：

1)时间差的准确性。时差定位的关键是测量时间差的准确性，时间差误差1 ms就会导致0.3 km的定位误差[36-38]。因此雷电探测仪的测量误差主要来源于所测雷电波到达不同站点的时间差[39]，而测时精度依赖于GPS系统，目前的GPS测时精度可以达到0.1 μs。从电磁波传播理论研究表明，地闪雷电波在地表传播时受到地形印象，会生波形畸变，引起测时误差。根据统计结果，每100 km引起的测时误差大约1 μs。一般情况下探测站的有效探测距离在300 km以内，最大测时误差不超过3 μs，因此所测得的测试误差T为GPS测时误差t1与t2之和。

2)地形因素影响下的定位误差。从原理上分析，时差定位系统是在认为被测区域为平面的情况下来进行后续计算的，而实际区域下存在着：地表的球体结构、山川河流影响海拔的地形等因素。这样的情况下即使精确测得时间差也会在地形折算上产生误差[40-41]。雷电传播路径的变化主要受地球表面高低起伏的地形变化的影响，因此定位计算中应将雷电波传播的实际空间距离改算为计算基准面上的椭球球面弧长将有效提高雷电探测与计算精度。再者，在地球大气层中，由于大气折射率的影响使雷电波传播的实际速度比真空中的速度小，再加上土壤的电气特性及地球的不均匀性也会引起地面传播的雷电波的相速变化。雷电波在100～150 kHz频率范围内沿不同地面传播雷电波的速率[42]分别为：干地299 300 km/s，湿地299 550 km/s，淡水299 370 km/s，海水299 630 km/s。

文献 [43]中作者根据两个大区网发生的真实雷击点，采用真空、湿地和干地三个雷电波波速分别进行了定位计算。并可以得出结论：①对平原地区，定位精度随雷电波波速的减小而增高，最高可提高391 m，最小为25 m。②当雷击发生在山区时，定位精度随雷电波波速的减小而降低，其原因是山区地形引起的多路径效应造成的。

表1 雷击点与实际雷击点间距离计算结果

3)雷电探测仪布置位置引起的测量波形误差。探测仪作为雷电定位系统的重要组成部分，通常被认为雷电定位系统的基础，它负责对雷电信号探测、识别、储存和传输。多布置在城市中，一般在供电局、电力公司大楼顶部，取一个 “视野”开阔较少遮蔽物的探测点。但是即便如此，城市建筑物中钢筋混凝土结构，其本身含有大量钢筋网络。当雷电形成主放电通道进行回击时，由于其强大的电流存在，建筑物中的钢筋会发生静电感应和电磁感应，从而导致雷电电磁场信号在传播过程中发生畸变。畸变的电磁场波形将对雷电定位系统雷电流反演及雷电定位精度产生很大影响[44，45，48]。

由文献 [15]中雷电流反演公式，雷电电磁场与雷电流幅值成正相关。当使用受干扰的雷电电磁场信号进行计算时，将导致雷电流幅值不准确，可能引起工程应用中的各种误操作与计算误差。

从对磁向法的描述中也可以发现，它依赖于东西与南北方向天线所感应到的磁场强度来进行计算。若磁场波形也发生畸变，则HNS和HWE幅值也会发生改变，这样经过反正切变换时的角度α失真，最终也会导致测量的雷电定位精度下降。

5 结束语

综上所述，要进一步完善现有的雷电定位系统，解决针对这些关键技术的研究将会极大提升我国雷电检测与防护的技术水平。在如下方面还可以做深入研究：

1)采用新的GPS授时系统可以减小雷电定位系统的定位误差，文献 [46]中提出了一种更为精确的GPS授时系统设计方法。通过新的设计来减小雷电定位系统的时间误差有待进一步研究。

2)在雷电定位精度的提高研究中，地形因素所产生的误差确实会给定位测量 [47]带来困难。建议跳出雷电测量原理的思维方式，可以尝试使用类似行波测距装置这类依赖线路的故障判别方式来对雷电定位进行互补矫正。

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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

徐鹏 (1988)，男，硕士生，昆明理工大学云南电网公司研究生工作站，从事电力系统继电保护与雷电防护方向研究 (email)772142377＠qq.com。

马仪 (1969)，男，硕士，高级工程师，云南电网公司电力研究院，从事高电压技术研究。

杜蛟 (1988)，男，硕士生，昆明理工大学云南电网公司研究生工作站，从事电力系统继电保护与超导技术方向研究。风电场建设中一味追求总装机容量的方式并不可取。